Mechanické vlny: zdroj, vlastnosti, vzorce

Môžete si predstaviť, čo sú to mechanické vlny,hádzanie kameňa do vody. Kruhy, ktoré sa na ňom objavujú a sú striedavými priehlbinami a vyvýšeninami, sú príkladom mechanických vĺn. Aká je ich podstata? Mechanické vlny sú procesom šírenia vibrácií v elastickom prostredí.

Vlny na povrchoch tekutín

Takéto mechanické vlny existujú kvôlivplyv síl medzimolekulovej interakcie a gravitácie na kvapalné častice. Ľudia tento fenomén študujú už dlho. Najpozoruhodnejšie sú vlny oceánu a mora. S rastúcou rýchlosťou vetra sa menia a zvyšuje sa ich výška. Samotný tvar vĺn sa tiež komplikuje. V oceáne môžu dosiahnuť desivé rozmery. Jedným z najjasnejších príkladov moci je tsunami, ktorá zmietne všetko, čo jej stojí v ceste.

Energia morských a oceánskych vĺn

Dosiahnutie brehu, morské vlny s ostrýmzmeny v hĺbke pribúdajú. Niekedy dosahujú výšky aj niekoľko metrov. V takýchto okamihoch sa kinetická energia kolosálnej masy vody prenáša na pobrežné prekážky, ktoré sa pod jej vplyvom rýchlo ničia. Sila príboja niekedy dosahuje grandióznych hodnôt.

Elastické vlny

V mechanike neštudujú iba vibrácietekutý povrch, ale aj takzvané elastické vlny. Jedná sa o poruchy, ktoré sa šíria v rôznych médiách pod vplyvom elastických síl v nich. Takýmto narušením je akákoľvek odchýlka častíc daného prostredia od rovnovážnej polohy. Dobrým príkladom elastických vĺn je dlhé lano alebo gumová trubica pripevnená na jednom konci k niečomu. Ak ho pevne stiahnete a potom vytvoríte bočným ostrým pohybom na svojom druhom (nezabezpečenom) konci rušenie, môžete vidieť, ako bude „bežať“ po celej dĺžke lana k opore a odrazí sa späť.

Zdroj mechanických vĺn

Počiatočné narušenie vedie k vznikuvlnové prostredie. Je to spôsobené pôsobením nejakého cudzieho telesa, ktoré sa vo fyzike nazýva zdroj vlny. Môže to byť ruka osoby, ktorá hojdá po lane, alebo kamienok hodený do vody. V prípade, že pôsobenie zdroja má krátkodobý charakter, v médiu často vznikne jedna vlna. Keď „vyrušovač“ robí dlhé vibračné pohyby, vlny začínajú stúpať jedna za druhou.

Podmienky pre vznik mechanických vĺn

Oscilácie tohto druhu sa nevytvárajú vždy.Nevyhnutnou podmienkou pre ich vzhľad je vzhľad v okamihu narušenia média silami brániacimi najmä jeho pružnosti. Majú tendenciu zbližovať susedné častice, keď sa rozchádzajú, a v okamihu svojho priblíženia ich od seba odtláčajú. Pružné sily pôsobiace na častice vzdialené od zdroja rušenia ich začínajú vyvážiť. V priebehu času sú všetky častice média zapojené do jedného oscilačného pohybu. Šírenie takýchto vibrácií je vlna.

Mechanické vlny v elastickom médiu

V elastickej vlne existujú 2 typy pohybusúčasne: oscilácie častíc a šírenie porúch. Pozdĺžna je mechanická vlna, ktorej častice vibrujú v smere svojho šírenia. Priečna je vlna, ktorej častice média vibrujú v smere svojho šírenia.

Vlastnosti mechanických vĺn

Poruchy v pozdĺžnej vlne súzriedenie a stlačenie a v priečnom posune (posunutí) niektorých vrstiev média vo vzťahu k iným. Tlaková deformácia je sprevádzaná objavením sa elastických síl. V tomto prípade je šmyková deformácia spojená s výskytom elastických síl výlučne v pevných látkach. V plynných a kvapalných médiách nie je strih vrstiev týchto médií sprevádzaný výskytom spomínanej sily. Pozdĺžne vlny sa môžu vďaka svojim vlastnostiam šíriť v akomkoľvek prostredí a priečne vlny sa môžu šíriť výlučne v pevných látkach.

Vlastnosti vĺn na povrchu tekutín

Vlny na povrchu kvapaliny nie sú pozdĺžne, ani niepriečny. Majú zložitejší, takzvaný pozdĺžny-priečny charakter. V tomto prípade sa častice tekutiny pohybujú v kruhu alebo pozdĺž predĺžených elips. Kruhové pohyby častíc na povrchu kvapaliny, najmä pri veľkých vibráciách, sú sprevádzané ich pomalým, ale nepretržitým pohybom v smere šírenia vĺn. Práve tieto vlastnosti mechanických vĺn vo vode určujú vzhľad rôznych morských plodov na pobreží.

Frekvencia mechanických vĺn

Ak je v elastickom médiu (tekutom, pevnom,plynné) budiť vibrácie svojich častíc, potom sa v dôsledku interakcie medzi nimi bude šíriť rýchlosťou u. Pokiaľ je teda oscilačné teleso v plynnom alebo kvapalnom prostredí, potom sa jeho pohyb začne prenášať na všetky častice, ktoré s ním susedia. Zapoja do procesu ďalších atď. V tomto prípade absolútne všetky body média začnú vibrovať s rovnakou frekvenciou, ktorá sa rovná frekvencii vibrujúceho telesa. Je to frekvencia vlny. Inými slovami, túto hodnotu možno charakterizovať ako frekvenciu oscilácie bodov v médiu, kde sa vlna šíri.

Možno nebude hneď jasné, akotento proces prebieha. Prenos energie vibračného pohybu z jeho zdroja na perifériu média je spojený s mechanickými vlnami. V priebehu ktorého dochádza k takzvaným periodickým deformáciám, ktoré sa vlnou prenášajú z jedného bodu do druhého. V tomto prípade sa samotné častice média nepohybujú s vlnou. Oscilujú okolo svojej rovnovážnej polohy. Preto šírenie mechanickej vlny nie je sprevádzané prenosom hmoty z jedného miesta na druhé. Mechanické vlny majú rôzne frekvencie. Preto boli rozdelené do rozsahov a bola vytvorená špeciálna stupnica. Frekvencia sa meria v hertzoch (Hz).

Základné vzorce

Mechanické vlny, vzorce na výpočet ktorýchcelkom jednoduché, sú zaujímavým predmetom štúdia. Rýchlosť vlny (υ) je rýchlosť pohybu jej prednej časti (geometrické miesto všetkých bodov, ku ktorým v súčasnosti dosiahla oscilácia média):

υ = √G / ρ,

kde ρ je hustota média, G je modul pružnosti.

Pri výpočte nezamieňajte rýchlosť mechanickejvlny v médiu s rýchlosťou pohybu častíc média, ktoré sa podieľajú na vlnovom procese. Napríklad sa zvuková vlna vo vzduchu šíri s priemernou rýchlosťou vibrácií svojich molekúl 10 m / s, zatiaľ čo rýchlosť zvukovej vlny je za normálnych podmienok 330 m / s.

Vlnoplocha je rôznych typov, z ktorých najjednoduchšie sú:

• Sférické - spôsobené vibráciami v plynnom alebo kvapalnom prostredí. V tomto prípade klesá amplitúda vlny so vzdialenosťou od zdroja v inverznom pomere k štvorcu vzdialenosti.

• Plochý - predstavuje rovinu, ktorákolmo na smer šírenia vĺn. Vyskytuje sa napríklad v uzavretom valci piesta, keď kmitá. Rovinná vlna sa vyznačuje takmer konštantnou amplitúdou. Jeho mierny pokles so vzdialenosťou od zdroja rušenia súvisí so stupňom viskozity plynného alebo kvapalného média.

Vlnová dĺžka

Vlnovou dĺžkou sa rozumie vzdialenosť, na ktorú bude jej predná časť posunutá v čase, ktorý sa rovná perióde oscilácie častíc média:

λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

kde T je perióda oscilácie, υ je rýchlosť vlny, ω je cyklická frekvencia, ν je frekvencia oscilácie bodov média.

Od rýchlosti šírenia mechanickýchvlna je úplne závislá od vlastností média, potom sa jej dĺžka λ mení pri prechode z jedného média do druhého. V tomto prípade zostáva frekvencia vibrácií ν vždy rovnaká. Mechanické a elektromagnetické vlny sú podobné v tom, že pri ich šírení sa prenáša energia, ale neprenáša sa žiadna hmota.