Ondas mecânicas: fonte, propriedades, fórmulas

Você pode imaginar o que são ondas mecânicas,jogando uma pedra na água. Os círculos que aparecem nele e alternam depressões e cristas são um exemplo de ondas mecânicas. Qual é a sua essência? Ondas mecânicas são o processo de propagação de vibrações em meios elásticos.

Ondas em superfícies líquidas

Tais ondas mecânicas existem devido aa influência das forças de interação intermolecular e da gravidade nas partículas líquidas. As pessoas estudam esse fenômeno há muito tempo. As mais notáveis ​​são as ondas do oceano e do mar. À medida que a velocidade do vento aumenta, eles mudam e sua altura aumenta. A forma das próprias ondas também se torna mais complexa. No oceano podem atingir proporções assustadoras. Um dos exemplos mais óbvios de força é um tsunami que varre tudo em seu caminho.

Energia do mar e das ondas oceânicas

Chegando à costa, o mar acena com fortemudanças na profundidade aumentam. Às vezes atingem uma altura de vários metros. Nesses momentos, a energia cinética de uma colossal massa de água é transferida para obstáculos costeiros, que são rapidamente destruídos sob sua influência. A força das ondas às vezes atinge valores enormes.

Ondas elásticas

Em mecânica, eles estudam não apenas vibrações emsuperfície do líquido, mas também as chamadas ondas elásticas. São distúrbios que se propagam em diferentes meios sob a influência de forças elásticas neles. Tal perturbação representa qualquer desvio das partículas de um determinado meio da posição de equilíbrio. Um exemplo claro de ondas elásticas é uma longa corda ou tubo de borracha preso a alguma coisa em uma das extremidades. Se você puxá-lo com força e, em seguida, criar uma perturbação na segunda extremidade (não segura) com um movimento lateral brusco, poderá ver como ele “corre” ao longo de todo o comprimento da corda até o suporte e é refletido de volta.

Fonte de ondas mecânicas

A perturbação inicial leva ao surgimento deambiente de ondas. É causada pela ação de algum corpo estranho, que na física é chamado de fonte de onda. Pode ser a mão de uma pessoa balançando uma corda ou uma pedra jogada na água. No caso em que a ação da fonte é de curto prazo, muitas vezes aparece uma única onda no meio. Quando o “perturbador” faz movimentos oscilatórios prolongados, as ondas começam a aparecer uma após a outra.

Condições para a ocorrência de ondas mecânicas

Esse tipo de oscilação nem sempre ocorre.Uma condição necessária para o seu aparecimento é o aparecimento, no momento da perturbação do ambiente, de forças que o impedem, em particular a elasticidade. Eles tendem a aproximar as partículas vizinhas quando se afastam e a afastá-las umas das outras quando se aproximam. As forças elásticas, agindo sobre partículas distantes da fonte de perturbação, começam a desequilibrá-las. Com o tempo, todas as partículas do meio estão envolvidas em um movimento oscilatório. A propagação de tais oscilações é uma onda.

Ondas mecânicas em meio elástico

Existem 2 tipos de movimento em uma onda elásticasimultaneamente: oscilações de partículas e propagação de perturbações. Uma onda mecânica é chamada longitudinal, cujas partículas oscilam ao longo da direção de sua propagação. Uma onda transversal é uma onda cujas partículas médias oscilam na direção de sua propagação.

Propriedades das ondas mecânicas

Perturbações na onda longitudinal sãorarefação e compressão, e no transversal – deslocamentos (deslocamentos) de algumas camadas do meio em relação a outras. A deformação compressiva é acompanhada pelo aparecimento de forças elásticas. Neste caso, a deformação por cisalhamento está associada ao aparecimento de forças elásticas exclusivamente em sólidos. Em meios gasosos e líquidos, o deslocamento das camadas desses meios não é acompanhado pelo aparecimento da referida força. Devido às suas propriedades, as ondas longitudinais podem se propagar em qualquer meio, enquanto as ondas transversais podem se propagar exclusivamente em meios sólidos.

Características das ondas na superfície dos líquidos

As ondas na superfície de um líquido não são longitudinais nemtransversal. Eles têm um caráter mais complexo, denominado longitudinal-transversal. Nesse caso, as partículas líquidas se movem em círculo ou ao longo de elipses alongadas. Os movimentos circulares das partículas na superfície de um líquido, e especialmente durante grandes vibrações, são acompanhados por seu movimento lento, mas contínuo, na direção de propagação das ondas. São essas propriedades das ondas mecânicas na água que provocam o aparecimento de diversos frutos do mar na costa.

Frequência de onda mecânica

Se estiver em um meio elástico (líquido, sólido,gasoso) para excitar a vibração de suas partículas, então devido à interação entre elas ele se propagará com velocidade você. Portanto, se houver um corpo oscilante em meio gasoso ou líquido, seu movimento começará a ser transmitido a todas as partículas adjacentes a ele. Eles envolverão os próximos no processo e assim por diante. Neste caso, absolutamente todos os pontos do meio começarão a oscilar na mesma frequência, igual à frequência do corpo oscilante. Esta é a frequência da onda. Em outras palavras, essa grandeza pode ser caracterizada como a frequência das oscilações dos pontos do meio onde a onda se propaga.

Pode não estar imediatamente claro comoesse processo ocorre. As ondas mecânicas estão associadas à transferência de energia do movimento vibracional de sua fonte para a periferia do meio. Durante esse processo surgem as chamadas deformações periódicas, transferidas por uma onda de um ponto a outro. Nesse caso, as próprias partículas do meio não se movem junto com a onda. Eles oscilam perto de sua posição de equilíbrio. É por isso que a propagação de uma onda mecânica não é acompanhada pela transferência de matéria de um lugar para outro. As ondas mecânicas têm frequências diferentes. Por isso, foram divididos em faixas e criada uma escala especial. A frequência é medida em Hertz (Hz).

Fórmulas básicas

Ondas mecânicas, fórmulas de cálculo para as quaisbastante simples, são um objeto interessante para estudar. A velocidade da onda (υ) é a velocidade de movimento de sua frente (a localização geométrica de todos os pontos que a vibração do meio atingiu em um determinado momento):

υ = √G/ ρ,

onde ρ é a densidade do meio, G é o módulo de elasticidade.

Ao calcular, não confunda a velocidade mecânicaondas em um meio com a velocidade de movimento das partículas do meio que estão envolvidas no processo ondulatório. Assim, por exemplo, uma onda sonora no ar se propaga com uma velocidade média de vibração de suas moléculas de 10 m/s, enquanto a velocidade de uma onda sonora em condições normais é de 330 m/s.

Existem diferentes tipos de frente de onda, sendo os mais simples:

• Esférico – causado por vibrações em meio gasoso ou líquido. A amplitude da onda diminui com a distância da fonte na proporção inversa ao quadrado da distância.

• Plano – é um plano queperpendicular à direção de propagação da onda. Ocorre, por exemplo, em um cilindro de pistão fechado quando realiza movimentos oscilatórios. Uma onda plana é caracterizada por uma amplitude quase constante. Sua ligeira diminuição com a distância da fonte de perturbação está associada ao grau de viscosidade do meio gasoso ou líquido.

Comprimento de onda

O comprimento de onda é entendido como a distância que sua frente se moverá em um tempo igual ao período de vibração das partículas do meio:

λ = υT = υ/v = 2πυ/ ω,

onde T é o período de oscilação, υ é a velocidade da onda, ω é a frequência cíclica, ν é a frequência de oscilação dos pontos do meio.

Como a velocidade de propagação da mecânicaa onda depende completamente das propriedades do meio, então seu comprimento λ muda durante a transição de um meio para outro. Neste caso, a frequência de oscilação ν permanece sempre a mesma. As ondas mecânicas e eletromagnéticas são semelhantes porque durante sua propagação a energia é transferida, mas a matéria não é transferida.