Mehanički valovi: izvor, svojstva, formule

Možete zamisliti što su mehanički valovi,bacajući kamen u vodu. Kružnice koje se pojavljuju na njemu i izmjenjuju se udubljenjima i grebenima primjer su mehaničkih valova. Koja je njihova suština? Mehanički valovi su proces širenja vibracija u elastičnim medijima.

Valovi na površinama tekućina

Takvi mehanički valovi postoje zbogutjecaj sila međumolekularne interakcije i gravitacije na čestice tekućine. Ljudi već dugo proučavaju ovaj fenomen. Najznačajniji su oceanski i morski valovi. Kako se brzina vjetra povećava, oni se mijenjaju, a visina im raste. Oblik samih valova također postaje kompliciraniji. U oceanu mogu doseći zastrašujuće razmjere. Jedan od najjasnijih primjera moći je tsunami koji pomete sve što mu se nađe na putu.

Energija morskih i oceanskih valova

Došavši do obale, morski valovi oštrimpromjene u dubini se povećavaju. Ponekad dosegnu visinu od nekoliko metara. U takvim se trenucima kinetička energija kolosalne mase vode prenosi na obalne prepreke, koje se pod njezinim utjecajem brzo uništavaju. Snaga surfanja ponekad doseže grandiozne vrijednosti.

Elastični valovi

U mehanici ne proučavaju samo vibracijepovršinu tekućine, ali i takozvani elastični valovi. To su poremećaji koji se šire u različitim medijima pod utjecajem elastičnih sila u njima. Takav poremećaj je svako odstupanje čestica određenog okoliša od ravnotežnog položaja. Dobar primjer elastičnih valova je dugo uže ili gumena cijev pričvršćena na nešto na jednom kraju. Ako ga čvrsto povučete, a zatim bočnim oštrim pokretom stvorite smetnju na njegovom drugom (nesigurnom) kraju, možete vidjeti kako će se "provući" cijelom dužinom užeta do oslonca i odraziti se natrag.

Mehanički izvor valova

Početna perturbacija dovodi do pojavevalno okruženje. Uzrokovano je djelovanjem nekog stranog tijela koje se u fizici naziva izvorom vala. To može biti ruka osobe koja zamahuje užetom ili kamenčić bačen u vodu. U slučaju kada je djelovanje izvora kratkotrajne prirode, u mediju se često javlja jedan val. Kada "remetilac" napravi duge vibracijske pokrete, valovi se počinju dizati jedan za drugim.

Uvjeti za pojavu mehaničkih valova

Oscilacije ove vrste ne stvaraju se uvijek.Nužan uvjet za njihov izgled je pojava u trenutku poremećaja medija sila koje ga ometaju, posebno elastičnosti. Skloni su približiti susjedne čestice kad se raziđu i odgurnuti ih jednu od druge u trenutku njihovog približavanja. Elastične sile koje djeluju na čestice udaljene od izvora smetnji počinju ih debalansirati. S vremenom su sve čestice medija uključene u jedno oscilatorno gibanje. Širenje takvih vibracija je val.

Mehanički valovi u elastičnom mediju

Postoje 2 vrste kretanja u elastičnom valuistodobno: oscilacije čestica i širenje smetnji. Uzdužni je mehanički val, čije čestice vibriraju duž smjera njegovog širenja. Poprečni je val, čije čestice medija titraju u smjeru njegovog širenja.

Svojstva mehaničkih valova

Poremećaji u uzdužnom valu surazrjeđivanje i sabijanje te u poprečnom pomicanju (pomicanju) nekih slojeva medija u odnosu na druge. Deformacija kompresije popraćena je pojavom elastičnih sila. U ovom je slučaju deformacija smicanja povezana s pojavom elastičnih sila isključivo u čvrstim tijelima. U plinovitim i tekućim medijima posmik slojeva tih medija nije popraćen pojavom spomenute sile. Zbog svojih svojstava uzdužni valovi mogu se širiti u bilo kojem mediju, a poprečni valovi mogu se širiti isključivo u čvrstim.

Značajke valova na površini tekućina

Valovi na površini tekućine nisu uzdužni i nisupoprečni. Imaju složeniji, takozvani uzdužno-poprečni karakter. U tom se slučaju čestice tekućine kreću u krugu ili duž izduženih elipsa. Kružni pokreti čestica na površini tekućine, a posebno pri velikim vibracijama, popraćeni su njihovim polaganim, ali kontinuiranim kretanjem u smjeru širenja valova. Upravo ta svojstva mehaničkih valova u vodi određuju pojavu različitih plodova mora na obali.

Mehanička frekvencija valova

Ako je u elastičnom mediju (tekući, čvrsti,plinovit) da pobudi vibraciju njegovih čestica, tada će se zbog interakcije između njih širiti brzinom u. Dakle, ako se oscilirajuće tijelo nalazi u plinovitom ili tekućem mediju, tada će se njegovo kretanje početi prenositi na sve susjedne čestice. Oni će uključiti druge u proces itd. U tom će slučaju apsolutno sve točke medija početi vibrirati s istom frekvencijom, jednakom frekvenciji vibracijskog tijela. To je frekvencija vala. Drugim riječima, ova se vrijednost može okarakterizirati kao učestalost titranja točaka u mediju u kojem se val širi.

Možda neće biti odmah jasno kakotaj se proces odvija. Prijenos energije vibracijskog gibanja s izvora na obod medija povezan je s mehaničkim valovima. Tijekom kojih se javljaju takozvane periodične deformacije, koje val prebacuje iz jedne točke u drugu. U tom se slučaju same čestice medija ne pomiču s valom. Oni osciliraju oko svog ravnotežnog položaja. Zato širenje mehaničkog vala nije popraćeno prijenosom materije s jednog mjesta na drugo. Mehanički valovi imaju različite frekvencije. Stoga su podijeljeni u raspone i stvorena je posebna ljestvica. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz).

Osnovne formule

Mehanički valovi, formule za izračun kojihvrlo jednostavne, zanimljiva su tema za proučavanje. Brzina vala (υ) je brzina kretanja njegove fronte (geometrijsko mjesto svih točaka do kojih je oscilacija medija trenutno dosegla):

υ = √G / ρ,

gdje je ρ gustoća medija, G je modul elastičnosti.

Prilikom izračunavanja nemojte brkati brzinu mehanikevalovi u mediju brzinom kretanja čestica medija koje su uključene u valni proces. Tako se, na primjer, zvučni val u zraku širi prosječnom brzinom vibracija njegovih molekula od 10 m / s, dok je brzina zvučnog vala u normalnim uvjetima 330 m / s.

Vala je različitih tipova, od kojih su najjednostavniji:

• Sferična - uzrokovana vibracijama u plinovitom ili tekućem mediju. U tom se slučaju amplituda vala smanjuje s udaljenošću od izvora obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti.

• Ravan - predstavlja ravninu kojaokomito na smjer širenja valova. Javlja se, na primjer, u zatvorenom klipnom cilindru kad oscilira. Ravni val karakterizira gotovo konstantna amplituda. Njegovo blago smanjenje s udaljenošću od izvora smetnji povezano je sa stupnjem viskoznosti plinovitog ili tekućeg medija.

Valna duljina

Valna duljina razumijeva se kao udaljenost na koju će se pomaknuti njezin front u vremenu jednakom razdoblju osciliranja čestica medija:

λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

gdje je T oscilacijsko razdoblje, υ brzina vala, ω ciklična frekvencija, ν frekvencija titranja točaka medija.

Budući da brzina širenja mehaničkihval potpuno ovisi o svojstvima medija, tada se njegova duljina λ mijenja tijekom prijelaza iz jednog u drugi medij. U ovom slučaju, frekvencija vibracija ν uvijek ostaje ista. Mehanički i elektromagnetski valovi slični su onome kad se šire, energija se prenosi, ali ne prelazi se ni materija.