Mechanické vlny: zdroj, vlastnosti, vzorce

Predstavte si, aké sú mechanické vlny,hádzanie kameňa do vody. Kruhy, ktoré sa na ňom objavujú a sú striedajúcimi sa depresiami a hrebeňmi, sú príkladom mechanických vĺn. Aká je ich podstata? Mechanické vlny sú procesom šírenia vibrácií v elastických médiách.

Vlny na povrchu kvapalín

Takéto mechanické vlny existujú vďakaúčinok na častice kvapalinových síl intermolekulárnej interakcie a gravitácie. Ľudia dlho študovali tento jav. Najvýznamnejšie sú oceánske a morské vlny. Ako sa zvyšuje rýchlosť vetra, mení sa a ich výška sa zvyšuje. Rovnako aj tvar samotných vĺn sa stáva komplikovanejším. V oceáne môžu dosiahnuť desivé rozmery. Jedným z najživších príkladov moci je tsunami, ktoré zametá všetko na svojej ceste.

Energia morských a oceánskych vĺn

Dosiahnutie pobrežia, morské vlny s ostrýmzmeny hĺbky. Niekedy dosahujú výšku niekoľkých metrov. V takom čase sa kinetická energia kolosálnej vody prenesie na pobrežné prekážky, ktoré sa pod jej vplyvom rýchlo zrútia. Sila surfovania niekedy dosahuje grandiózne hodnoty.

Elastické vlny

V mechanike nielen výkyvy vpovrch kvapaliny, ale aj takzvané elastické vlny. Ide o poruchy, ktoré sa šíria v rôznych médiách pod pôsobením elastických síl v nich. Takáto porucha je akákoľvek odchýlka častíc daného média od rovnovážnej polohy. Dobrým príkladom elastických vĺn je dlhé lano alebo gumená trubica, ktorá je na jednom konci pripojená k niečomu. Ak je utiahnutá a potom bočný ostrý pohyb vytvára poruchu na druhom (nezabezpečenom) konci, môžete vidieť, ako to bude "bežať" po celej dĺžke lana k opierke a odrazí sa späť.

Zdroj mechanických vĺn

Počiatočná porucha vedie k vznikustrednej vlny. Je to spôsobené pôsobením nejakého cudzieho telesa, ktoré sa vo fyzike nazýva zdrojom vlny. Môžu to byť ruky človeka, ktorý sa švihne lano alebo kameň hodený do vody. V prípade, že pôsobenie zdroja má prechodný charakter, často vzniká v médiu jedna vlna. Keď "narušiteľ" robí dlhé oscilačné pohyby, vlny sa začnú objavovať jeden po druhom.

Podmienky pre vytváranie mechanických vĺn

Takéto oscilácie nie sú vždy vytvorené. Nevyhnutným predpokladom pre ich vzhľad je vzhľad síl, ktoré im zabraňujú, najmä elasticitu, v okamihu narušenia média. Majú tendenciu zblížiť susedné častice, keď sa rozchádzajú, a odviesť ich od seba v čase zblíženia. Sily elasticity pôsobiace na častice vzdialené od zdroja rušenia začínajú ich odstraňovať z rovnováhy. Časom sa všetky častice média podieľajú na jednom vibračnom pohybe. Propagácia takýchto kmitov je tiež vlnou.

Mechanické vlny v elastickom médiu

V elastickej vlne existujú dva typy pohybusúčasne: oscilácie častíc a šírenie poruchy. Pozdĺžna vlna je mechanická vlna, ktorej častice kmitajú v smere šírenia. Vlna sa nazýva priečne, častice média sa kmitajú v smere šírenia.

Vlastnosti mechanických vĺn

Poruchy v pozdĺžnej vlne súzriedenia a stlačenia a pri priečnom posunu určitých vrstiev média vzhľadom na ostatné. Kompresná deformácia sprevádza výskyt elastických síl. V tomto prípade je strihová deformácia spojená s výskytom elastických síl výlučne v tuhých látkach. V plynných a kvapalných médiách nie je strih vrstiev týchto médií sprevádzaný vzhľadom na túto silu. Vďaka svojim vlastnostiam sú pozdĺžne vlny schopné šíriť sa v akomkoľvek médiu a priečne vlny - výhradne v pevných médiách.

Vlastnosti vĺn na povrchu kvapalín

Vlny na povrchu kvapaliny nie sú pozdĺžne a niekríž. Majú zložitejší, takzvaný pozdĺžny a priečny charakter. V tomto prípade sa kvapalné častice pohybujú pozdĺž kruhu alebo pozdĺž podlhovastých elipsov. Kruhové pohyby častíc na povrchu kvapaliny a najmä pri veľkých osciláciách sú sprevádzané ich pomalým, ale nepretržitým pohybom v smere šírenia vlny. Práve tieto vlastnosti mechanických vĺn vo vode spôsobujú vzhľad rôznych morských plodov na brehu.

Frekvencia mechanických vĺn

Ak je v elastickom médiu (kvapalný, pevný,plynný), aby vyvolal vibrácie jeho častíc, potom v dôsledku interakcie medzi nimi bude šíriť rýchlosťou u. Takže ak je v plynnom alebo kvapalnom médiu vibračné teleso, potom sa jeho pohyb začne prenášať na všetky častice susediace s ním. Zahrnú nasledujúce procesy a tak ďalej. V tomto prípade absolútne všetky body média budú robiť kmity rovnakej frekvencie, ktoré sa rovnajú frekvencii oscilujúceho tela. Je to frekvencia vlny. Inými slovami, táto hodnota môže byť charakterizovaná ako frekvencia oscilácií bodov v médiu, kde sa vlna šíri.

Hneď to môže byť nejasné akotento proces nastane. Pri mechanických vlnách je spojený prenos vibračnej energie z jej zdroja na okraj média. V priebehu toho sa vyskytujú takzvané periodické deformácie prenášané vlnou z jedného miesta do druhého. V tomto prípade sa častice média nepohybujú spolu s vlnou. Oscilujú vedľa rovnovážnej polohy. Preto šírenie mechanickej vlny nie je sprevádzané prenosom hmoty z jedného miesta na druhé. Mechanické vlny majú odlišnú frekvenciu. Preto boli rozdelené na rozsahy a vytvorili špeciálnu stupnicu. Frekvencia sa meria v herte (Hz).

Základné vzorce

Mechanické vlny, ktorých výpočtové vzorceskôr jednoduché, sú zaujímavým predmetom štúdia. Rýchlosť vlny (υ) je rýchlosť jej prednej časti (miesto všetkých bodov, ku ktorým oscilačné médium v ​​danom momente dosiahlo):

υ = √G / ρ,

kde ρ je hustota média a G je modul pružnosti.

Pri výpočte nezamieňajte rýchlosť mechanickýchvlny v médiu s rýchlosťou pohybu častíc média, ktoré sú zapojené do procesu vlny. Napríklad zvuková vlna vo vzduchu sa šíri s priemernou rýchlosťou vibrácií svojich molekúl pri rýchlosti 10 m / s, zatiaľ čo rýchlosť zvukovej vlny za normálnych podmienok je 330 m / s.

Predná vlna je rôznych druhov, z ktorých najjednoduchšie sú:

• Sférické - spôsobené vibráciami v plynnom alebo kvapalnom médiu. Amplitúda vlny v tomto prípade klesá, pretože vzdialenosť od zdroja je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti.

• Flat - predstavuje rovinu, ktoráje kolmá na smer šírenia vlny. Vyskytuje sa napríklad v cylindri s uzavretým piestom, keď dosahuje oscilačné pohyby. Rovinná vlna sa vyznačuje takmer konštantnou amplitúdou. Jeho nevýznamné zníženie pri odchode z rušivého zdroja súvisí so stupňom viskozity plynného alebo kvapalného média.

vlnová dĺžka

Vlnová dĺžka sa chápe ako vzdialenosť, ktorou sa jej predná časť pohybuje v čase, ktorý sa rovná obdobiu kmitania častíc média:

λ = υT = υ / v = 2πμ / ω,

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

Vzhľadom k rýchlosti šírenia mechanickéhovlna je úplne závislá na vlastnostiach média a potom sa jeho dĺžka mení počas prechodu z jedného média na druhé. Frekvencia vibrácií V zostáva vždy rovnaká. Mechanické a elektromagnetické vlny sú podobné tým, že prenášajú energiu, ale nedochádza k prenosu hmoty.