Mechanikai hullámok: forrás, tulajdonságok, képletek

El tudod képzelni, hogy mi a mechanikus hullám,dobott egy kő a vízbe. A rajta megjelenő, váltakozó vályúkkal és gerincgel rendelkező körök példája a mechanikus hullámoknak. Mi a lényegük? A mechanikai hullámok a rezgések rugalmas közegben történő terjedésének folyamatát jelentik.

Hullámok a folyadékok felületén

Ilyen mechanikai hullámok vannak a következők miatt:az intermolekuláris kölcsönhatás és a gravitáció hatása a folyékony részecskékre. Az emberek ezt a jelenséget már hosszú ideje tanulmányozták. A legjelentősebbek az óceán és a tenger hullámai. Ahogy a szél sebessége növekszik, megváltozik és magasságuk növekszik. A hullámok alakja is bonyolultabbá válik. Az óceánban félelmetes méreteket érhetnek el. A hatalom egyik legszembetűnőbb példája a szökőár, amely elpusztít minden útját.

A tenger és az óceán hullámai

A parthoz érve, a tenger élesen hullámzika mélység változásai növekednek. Néha több métert is elérnek. Ilyenkor a kolosszális víztömeg kinetikus energiája átkerül a parti akadályokba, amelyeket annak hatása alatt gyorsan elpusztítanak. A szörf erőssége időnként eléri a grandiózus értékeket.

Rugalmas hullámok

A mechanikában nem csak a rázkódásokfolyékony felület, hanem az úgynevezett elasztikus hullámok is. Ezek olyan zavarok, amelyek a különböző közegekben terjednek a bennük lévő rugalmas erők hatására. Ilyen zavar az adott közeg részecskéinek bármilyen eltérése az egyensúlyi helyzettől. Az elasztikus hullámok jó példája egy hosszú kötél vagy gumi cső, melynek egyik végén valamihez van rögzítve. Ha szorosan meghúzza, és egy oldalirányú éles mozgással zavart hoz létre a második (nem rögzített) végén, láthatja, hogyan fog "futni" a kötél teljes hossza mentén a tartóig, és visszaverődik.

Mechanikai hullámforrás

A kezdeti perturbáció a következő megjelenéshez vezet:hullám környezet. Valamely idegen test fellépése okozza, amelyet a fizikában a hullám forrásának hívnak. Ez lehet a kötél lengő ember keze, vagy a vízbe dobott kavics. Abban az esetben, ha a forrás működése rövid távú, gyakran egyetlen hullám lép fel a közegben. Amikor a „zavaró” hosszú vibrációs mozgásokat hajt végre, a hullámok egymás után kezdenek felbukkanni.

A mechanikai hullámok előfordulásának feltételei

Az ilyen típusú oszcillációk nem mindig alakulnak ki.Megjelenésükhöz szükséges feltétel a közeg zavarának pillanatában való megjelenése az ezt gátló erőknek, különösen a rugalmasságnak. Hajlamosak a szomszédos részecskéket közelebb hozni egymáshoz, amikor elválnak egymástól, és közeledésük pillanatában eltolják őket egymástól. A zavar forrásától távol eső részecskékre ható rugalmas erők elkezdenek kiegyensúlyozni őket. Idővel a közeg összes részecskéje részt vesz egy oszcillációs mozgásban. Az ilyen rezgések terjedése hullám.

Mechanikus hullámok rugalmas közegben

Kétféle mozgás létezik egy rugalmas hullámbanugyanakkor: a részecske rezgései és a zavar terjedése. A longitudinális egy mechanikus hullám, amelynek részecskéi a terjedési irány mentén rezegnek. Keresztirányú egy hullám, amelynek közegének részecskéi a terjedési irányban rezegnek.

Mechanikai hullámtulajdonságok

A hosszanti hullám zavarai vannakritkaság és tömörítés, valamint a közeg egyes rétegeinek keresztirányú eltolódásai (elmozdulásai) másokhoz viszonyítva. A kompressziós deformáció a rugalmas erők megjelenésével jár. Ebben az esetben a nyírási deformáció a rugalmas erők megjelenésével jár együtt kizárólag szilárd anyagokban. Gáznemű és folyékony közegben ezen közegek rétegeinek nyírása nem jár együtt az említett erő megjelenésével. Tulajdonságai miatt a hosszirányú hullámok bármilyen közegben képesek terjedni, a keresztirányú hullámok pedig kizárólag szilárdan terjedhetnek.

A folyadékok felszínén található hullámok jellemzői

A folyadék felületén lévő hullámok nem hosszanti irányúak és nemátlós. Bonyolultabb, úgynevezett hosszanti-haránt karakterük van. Ebben az esetben a folyékony részecskék körben vagy hosszúkás ellipszisek mentén mozognak. A részecskék körfolyamatai a folyadék felületén, és különösen nagy rezgések mellett, lassú, de folyamatos mozgással járnak a hullám terjedésének irányában. A vízben lévő mechanikai hullámok ezen tulajdonságai határozzák meg a tenger gyümölcseinek megjelenését a parton.

Mechanikus hullámfrekvencia

Ha rugalmas közegben (folyékony, szilárd,gáznemű) gerjesztik részecskéinek rezgését, majd a köztük lévő kölcsönhatás miatt u sebességgel terjed. Tehát, ha egy oszcilláló test gáznemű vagy folyékony közegben van, akkor a mozgása megkezdődik a mellette lévő összes részecske felé. Mások bevonják a folyamatba stb. Ebben az esetben a közeg abszolút minden pontja ugyanazzal a frekvenciával rezeg, egyenlő a rezgő test frekvenciájával. Ez a hullám frekvenciája. Más szavakkal, ez a mennyiség jellemezhető a hullám terjedésével járó közeg pontjainak rezgési gyakoriságaként.

Nem biztos, hogy azonnal világos, hogyanez a folyamat zajlik. A rezgésmozgási energia forrásából a közeg perifériájába történő átvitele mechanikus hullámokkal társul. Ennek során úgynevezett periodikus deformációk lépnek fel, amelyeket a hullám egyik pontról a másikra visz át. Ebben az esetben maguk a közeg részecskéi sem mozognak a hullámmal. Egyensúlyi helyzetük körül ingadoznak. Éppen ezért a mechanikai hullám terjedését nem kíséri az anyag egyik helyről a másikra való átvitele. A mechanikus hullámoknak különböző frekvenciájuk van. Ezért tartományokra osztották őket, és létrehoztak egy speciális skálát. A frekvenciát hertzben (Hz) mérjük.

Alapvető képletek

Mechanikai hullámok, amelyek kiszámításának képleteimeglehetősen egyszerűek, érdekes tárgyak. A hullám sebessége (υ) az eleje mozgási sebessége (az összes pont geometriai helye, amelyhez a közeg oszcillációja pillanatnyilag eljutott):

υ = √G / ρ,

ahol ρ a közeg sűrűsége, G a rugalmassági modulus.

A számítás során ne keverje össze a mechanikus sebességéthullámok egy közegben a közeg részecskéinek mozgási sebességével, amelyek részt vesznek a hullám folyamatában. Tehát például a levegőben lévő hanghullám molekuláinak átlagos rezgési sebességével 10 m / s terjed, míg a hanghullám sebessége normál körülmények között 330 m / s.

A hullámfront különböző típusú, amelyek közül a legegyszerűbbek:

• Gömb alakú - gáz vagy folyékony közegben bekövetkező rezgések okozzák. Ebben az esetben a hullám amplitúdója csökken a forrástól való távolsággal, a távolság négyzetével fordított arányban.

• Lapos - olyan síkot képvisel, amelymerőleges a hullám terjedési irányára. Például zárt dugattyús hengerben fordul elő, amikor leng. A síkhullámot szinte állandó amplitúdó jellemzi. Enyhe csökkenése a zavar forrásától való távolsággal összefüggésben van a gáz vagy folyékony közeg viszkozitásának mértékével.

Hullámhossz

A hullámhossz alatt azt a távolságot értjük, amelyre az eleje elmozdul egy olyan idő alatt, amely megegyezik a közeg részecskéinek rezgési periódusával:

λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

ahol T a rezgési periódus, υ a hullámsebesség, ω a ciklikus frekvencia, ν a közeg pontjainak rezgési frekvenciája.

Mivel a mechanikai terjedési sebességa hullám teljesen függ a közeg tulajdonságaitól, akkor λ hossza változik az egyik közegből a másikba való átmenet során. Ebben az esetben a ν rezgési frekvencia mindig ugyanaz marad. A mechanikai és az elektromágneses hullámok abban különböznek egymástól, hogy terjedésükkor az energia átkerül, de anyag nem.