Mechanische golven: bron, eigenschappen, formules

Je kunt je voorstellen wat mechanische golven zijn,een steen in het water gooien. De cirkels die erop verschijnen en afwisselende depressies en richels zijn, zijn een voorbeeld van mechanische golven. Wat is hun essentie? Mechanische golven zijn het proces van voortplanting van trillingen in elastische media.

Golven op het oppervlak van vloeistoffen

Dergelijke mechanische golven bestaan ​​als gevolg van:het effect van de krachten van intermoleculaire interactie en zwaartekracht op de vloeistofdeeltjes. Mensen bestuderen dit fenomeen al heel lang. De meest opvallende zijn de oceaan en de zeegolven. Naarmate de windsnelheid toeneemt, veranderen ze en neemt hun hoogte toe. De vorm van de golven zelf wordt ook ingewikkelder. In de oceaan kunnen ze angstaanjagende proporties aannemen. Een van de duidelijkste voorbeelden van macht is de tsunami die alles op zijn pad wegvaagt.

Energie van zee- en oceaangolven

De kust bereiken, zeegolven met een scherpeveranderingen in diepte nemen toe. Ze bereiken soms hoogtes van enkele meters. Op zulke momenten wordt de kinetische energie van een kolossale watermassa overgebracht naar kustobstakels, die onder zijn invloed snel worden vernietigd. De kracht van de branding bereikt soms grandioze waarden.

Elastische golven

In de mechanica bestuderen ze niet alleen trillingen opvloeistofoppervlak, maar ook de zogenaamde elastische golven. Dit zijn verstoringen die zich in verschillende media voortplanten onder invloed van elastische krachten daarin. Een dergelijke verstoring is elke afwijking van deeltjes van een bepaalde omgeving van de evenwichtspositie. Een goed voorbeeld van elastische golven is een lang touw of rubberen buis die aan het ene uiteinde ergens aan vast zit. Als je het strak trekt, en dan met een zijwaartse scherpe beweging een verstoring veroorzaakt aan het tweede (onbeveiligde) uiteinde, kun je zien hoe het over de hele lengte van het touw naar de steun zal "lopen" en teruggekaatst wordt.

Mechanische golfbron

De aanvankelijke verstoring leidt tot het ontstaan ​​vangolf milieu. Het wordt veroorzaakt door de werking van een vreemd lichaam, dat in de natuurkunde de bron van de golf wordt genoemd. Het kan de hand zijn van een persoon die aan het touw zwaait, of een kiezelsteen die in het water wordt gegooid. In het geval dat de werking van de bron van korte duur is, ontstaat vaak een enkele golf in het medium. Wanneer de "verstoorder" lange vibrerende bewegingen maakt, beginnen de golven de een na de ander op te komen.

Voorwaarden voor het optreden van mechanische golven

Dergelijke trillingen worden niet altijd gevormd.Een noodzakelijke voorwaarde voor hun uiterlijk is het verschijnen op het moment van verstoring van het medium van de krachten die het verhinderen, in het bijzonder elasticiteit. Ze hebben de neiging om naburige deeltjes dichter bij elkaar te brengen wanneer ze divergeren, en ze van elkaar af te duwen op het moment dat ze naderen. Elastische krachten die inwerken op deeltjes die ver verwijderd zijn van de bron van verstoring, beginnen ze uit hun evenwicht te brengen. Na verloop van tijd zijn alle deeltjes van het medium betrokken bij één oscillerende beweging. De verspreiding van dergelijke trillingen is een golf.

Mechanische golven in een elastisch medium

Er zijn 2 soorten beweging in een elastische golf:tegelijkertijd: deeltjesoscillaties en verstoringsvoortplanting. Longitudinaal is een mechanische golf, waarvan de deeltjes trillen in de richting van hun voortplanting. Dwars is een golf, waarvan de deeltjes van het medium trillen in de richting van zijn voortplanting.

Mechanische golfeigenschappen

Verstoringen in de longitudinale golf zijnverdunning en compressie, en in de transversale - verschuivingen (verplaatsingen) van sommige lagen van het medium ten opzichte van andere. Compressievervorming gaat gepaard met het optreden van elastische krachten. In dit geval wordt afschuifvervorming geassocieerd met het optreden van elastische krachten uitsluitend in vaste stoffen. In gasvormige en vloeibare media gaat het afschuiven van de lagen van deze media niet gepaard met het optreden van de genoemde kracht. Vanwege hun eigenschappen kunnen longitudinale golven zich in elk medium voortplanten en kunnen transversale golven zich uitsluitend in vaste stoffen voortplanten.

Kenmerken van golven op het oppervlak van vloeistoffen

Golven op het oppervlak van de vloeistof zijn niet longitudinaal en nietdwars. Ze hebben een complexer, zogenaamd longitudinaal-transversaal karakter. In dit geval bewegen vloeistofdeeltjes in een cirkel of langs langwerpige ellipsen. Cirkelvormige bewegingen van deeltjes op het oppervlak van een vloeistof, en vooral bij grote trillingen, gaan gepaard met hun langzame maar continue beweging in de richting van golfvoortplanting. Het zijn deze eigenschappen van mechanische golven in water die het uiterlijk van verschillende zeevruchten aan de kust bepalen.

Mechanische golffrequentie:

Indien in een elastisch medium (vloeibaar, vast,gasvormig) de trilling van zijn deeltjes opwekken, dan zal het zich door de interactie tussen hen voortplanten met een snelheid u. Dus als een oscillerend lichaam zich in een gasvormig of vloeibaar medium bevindt, zal zijn beweging worden overgedragen op alle aangrenzende deeltjes. Ze zullen anderen bij het proces betrekken, enzovoort. In dit geval zullen absoluut alle punten van het medium beginnen te trillen met dezelfde frequentie, gelijk aan de frequentie van het trillende lichaam. Het is de frequentie van de golf. Met andere woorden, deze waarde kan worden gekarakteriseerd als de oscillatiefrequentie van punten in het medium waar de golf zich voortplant.

Het is misschien niet meteen duidelijk hoedit proces vindt plaats. De overdracht van vibrerende bewegingsenergie van de bron naar de periferie van het medium wordt geassocieerd met mechanische golven. Daarbij treden de zogenaamde periodieke vervormingen op, die door de golf van het ene punt naar het andere worden overgebracht. In dit geval bewegen de deeltjes van het medium zelf niet met de golf mee. Ze oscilleren rond hun evenwichtspositie. Dat is de reden waarom de voortplanting van een mechanische golf niet gepaard gaat met de overdracht van materie van de ene plaats naar de andere. Mechanische golven hebben verschillende frequenties. Daarom werden ze onderverdeeld in reeksen en werd er een speciale schaal gemaakt. Frequentie wordt gemeten in hertz (Hz).

Basisformules

Mechanische golven, de formules om te berekenen welkevrij eenvoudig, zijn een interessant onderwerp om te bestuderen. De snelheid van de golf (υ) is de bewegingssnelheid van zijn voorkant (de geometrische plaats van alle punten waar de oscillatie van het medium op dit moment heeft bereikt):

υ = √G / ,

waar ρ de dichtheid van het medium is, is G de elasticiteitsmodulus.

Verwar bij het berekenen de snelheid van de mechanische niet!golven in een medium met de bewegingssnelheid van deeltjes van het medium, die betrokken zijn bij het golfproces. Dus een geluidsgolf in lucht plant zich bijvoorbeeld voort met een gemiddelde trillingssnelheid van zijn moleculen van 10 m / s, terwijl de snelheid van een geluidsgolf onder normale omstandigheden 330 m / s is.

Het golffront is van verschillende typen, waarvan de eenvoudigste zijn:

• Bolvormig - veroorzaakt door trillingen in een gasvormig of vloeibaar medium. In dit geval neemt de golfamplitude af met de afstand tot de bron, omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand.

• Plat - staat voor een vlak datloodrecht op de voortplantingsrichting van de golven. Het komt bijvoorbeeld voor in een gesloten zuigercilinder wanneer deze oscilleert. Een vlakke golf wordt gekenmerkt door een bijna constante amplitude. De lichte afname met de afstand tot de storingsbron hangt samen met de viscositeitsgraad van het gasvormige of vloeibare medium.

Golflengte

De golflengte wordt opgevat als de afstand waarover het front zal worden verplaatst in een tijd die gelijk is aan de oscillatieperiode van de deeltjes van het medium:

λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

waarbij T de oscillatieperiode is, υ de golfsnelheid is, ω de cyclische frequentie is, ν de oscillatiefrequentie van de punten van het medium is.

Omdat de voortplantingssnelheid van mechanischede golf is volledig afhankelijk van de eigenschappen van het medium, dan verandert de lengte λ tijdens de overgang van het ene medium naar het andere. In dit geval blijft de trillingsfrequentie ν altijd hetzelfde. Mechanische en elektromagnetische golven zijn vergelijkbaar in die zin dat wanneer ze zich voortplanten, energie wordt overgedragen, maar er wordt geen materie overgedragen.