Механічні хвилі: джерело, властивості, формули

Уявити, що таке механічні хвилі, можна,кинувши у воду камінь. Кола, що виникають на ній і є чергуються западинами і гребенями, - це приклад механічних хвиль. У чому їх суть? Механічні хвилі - це процес поширення коливань в пружних середовищах.

Хвилі на поверхнях рідин

Такі механічні хвилі існують завдякивпливу на частинки рідини сил міжмолекулярної взаємодії і тяжкості. Люди вже давно вивчають це явище. Найбільш примітними є океанські і морські хвилі. У міру збільшення швидкості вітру вони змінюються, а їх висота зростає. Також ускладнюється і форма самих хвиль. В океані вони можуть досягати страхітливих масштабів. Одним з найбільш наочних прикладів сили є цунамі, що змітає все на своєму шляху.

Енергія морських і океанських хвиль

Досягаючи берега, морські хвилі при різкомузміні глибини зростають. Вони іноді досягають висоти в кілька метрів. У такі моменти кінетична енергія колосальної маси води передається береговим перешкодам, які під її впливом швидко руйнуються. Сила прибою іноді досягає грандіозних значень.

пружні хвилі

У механіці вивчають не тільки коливання наповерхні рідини, а й так звані пружні хвилі. Це обурення, які поширюються в різних середовищах під дією в них сил пружності. Таке обурення є будь-яке відхилення частинок даного середовища від положення рівноваги. Наочним прикладом пружних хвиль є довга мотузка або гумова трубка, прикріплена одним з кінців до чого-небудь. Якщо її туго натягнути, а потім бічним різким рухом створити на другому (незакріпленому) її кінці обурення, то можна побачити, як воно по всій довжині мотузки «пробіжить» до опори і відіб'ється назад.

Джерело механічних хвиль

Початкове обурення призводить до виникнення всередовищі хвилі. Воно викликається дією якогось стороннього тіла, яке у фізиці називається джерелом хвилі. Їм може бути рука людини, гойднувшись мотузку, або камінчик, кинутий в воду. У тому випадку, коли дія джерела має короткочасний характер, в середовищі часто виникає одиночна хвиля. Коли ж «порушник» здійснює тривалі коливальні рухи, хвилі починають виникати одна за одною.

Умови виникнення механічних хвиль

Такого роду коливання утворюються не завжди.Необхідною умовою для їх появи є виникнення в момент обурення середовища перешкоджають йому сил, зокрема, пружності. Вони прагнуть зблизити сусідні частинки, коли вони розходяться, і відштовхнути їх один від одного в момент зближення. Сили пружності, діючи на віддалені від джерела обурення частки, починають виводити їх з рівноваги. Згодом все частинки середовища залучаються до один коливальний рух. Поширення таких коливань і є вільний.

Механічні хвилі в пружному середовищі

У пружною хвилі існують 2 види рухуодночасно: коливання частинок і поширення обурення. Поздовжньої називається механічна хвиля, частинки якої коливаються вздовж напрямку її поширення. Поперечної називається хвиля, частинки середовища якої коливаються поперек напрямку її поширення.

Властивості механічних хвиль

Обурення в поздовжньої хвилі являють собоюрозрідження і стиску, а в поперечної - зрушення (зсуву) одних верств середовища по відношенню до інших. Деформація стиснення супроводжується появою сил пружності. При цьому деформація зсуву пов'язана з появою сил пружності виключно в твердих тілах. В газоподібних і рідких середовищах зрушення шарів цих середовищ не супроводжується виникненням згаданої сили. Завдяки своїм властивостям поздовжні хвилі здатні поширюватися в будь-яких середовищах, а поперечні - виключно в твердих.

Особливості хвиль на поверхні рідин

Хвилі на поверхні рідини не поздовжні і непоперечні. Вони мають більш складний, так званий поздовжньо-поперечний характер. В цьому випадку частинки рідини рухаються по колу або по витягнутих еліпсам. Кругові рухи частинок на поверхні рідини, і особливо при великих коливаннях, супроводжуються їх повільним, але безперервним переміщенням у напрямку поширення хвилі. Саме ці властивості механічних хвиль в воді зумовлюють появу на березі різних дарів моря.

Частота механічних хвиль

Якщо в пружною середовищі (рідкої, твердої,газоподібної) порушити коливання її часток, то внаслідок взаємодії між ними воно буде поширюватися зі швидкістю u. Так, якщо в газоподібному або рідкому середовищі буде перебувати тіло, що коливається, то його рух почне передаватися всім прилеглим до нього частинкам. Вони будуть залучати до процесу наступні і так далі. При цьому абсолютно всі крапки середовища стануть здійснювати коливання однакової частоти, що дорівнює частоті коливного тіла. Вона і є частотою хвилі. Іншими словами, цю величину можна охарактеризувати як частоту коливань точок в середовищі, де поширюється хвиля.

Відразу може бути незрозуміло, яким чиномвідбувається цей процес. З механічними хвилями пов'язують перенесення енергії коливального руху від його джерела до периферії середовища. В ході чого виникають так звані періодичні деформації, що переносяться хвилею з однієї точки в іншу. При цьому самі частинки середовища разом з хвилею не переміщаються. Вони коливаються поруч зі своїм становищем рівноваги. Саме тому поширення механічної хвилі не супроводжується перенесенням речовини з одного місця в інше. У механічних хвиль різна частота. Тому їх поділили на діапазони і створили спеціальну шкалу. Частота вимірюється в герцах (Гц).

Основні формули

Механічні хвилі, формули обчислення якихдосить прості, є цікавим об'єктом для вивчення. Швидкість хвилі (υ) - це швидкість переміщення її фронту (геометричне місце всіх точок, до яких дійшло коливання середовища в даний момент):

υ = √G / ρ,

де ρ - щільність середовища, G - модуль пружності.

При розрахунку не варто плутати швидкість механічноїхвилі в середовищі зі швидкістю руху частинок середовища, які залучені в хвильової процес. Так, наприклад, звукова хвиля в повітрі поширюється з середньою швидкістю коливання його молекул в 10 м / с, в той час як швидкість звукової хвилі в нормальних умовах становить 330 м / с.

Хвильовий фронт буває різних видів, найпростішими з яких є:

• Сферичний - викликається коливаннями в газоподібному або рідкому середовищі. Амплітуда хвилі при цьому зменшується при видаленні від джерела обернено пропорційно квадрату відстані.

• Плоский - являє собою площину, якаперпендикулярна до напрямку поширення хвилі. Він виникає, наприклад, в закритому поршневому циліндрі, коли той здійснює коливальні рухи. Плоска хвиля характеризується практично незмінною амплітудою. Її незначне зменшення при видаленні від джерела обурення пов'язано зі ступенем в'язкості газоподібної або рідкого середовища.

Довжина хвилі

Під довжиною хвилі розуміють відстань, на яке буде переміщений її фронт за час, що дорівнює періоду коливання частинок середовища:

λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

де Т - період коливання, υ - швидкість хвилі, ω - циклічна частота, ν - частота коливання точок середовища.

Оскільки швидкість поширення механічноїхвилі знаходиться в повній залежності від властивостей середовища, то її довжина λ під час переходу з однієї середовища в іншу змінюється. При цьому частота коливання ν завжди залишається незмінною. Механічні і електромагнітні хвилі схожі тим, що при їх поширенні здійснюється передача енергії, але не відбувається перенесення речовини.