Μηχανικά κύματα: πηγή, ιδιότητες, τύποι

Για να φανταστεί κανείς ποια μηχανικά κύματα είναι, μπορείτε,ρίχνοντας μια πέτρα στο νερό. Οι κύκλοι που εμφανίζονται σε αυτό και οι εναλλασσόμενες κοιλότητες και κορυφογραμμές είναι ένα παράδειγμα μηχανικών κυμάτων. Ποια είναι η ουσία τους; Τα μηχανικά κύματα είναι η διαδικασία διάδοσης κραδασμών σε ελαστικά μέσα.

Κύματα στις επιφάνειες υγρών

Τέτοια μηχανικά κύματα υπάρχουν χάρηεπίδραση στα σωματίδια των δυνάμεων ρευστού της διαμοριακής αλληλεπίδρασης και της βαρύτητας. Οι άνθρωποι εδώ και καιρό μελετούν αυτό το φαινόμενο. Τα πιο αξιοσημείωτα είναι τα κύματα των ωκεανών και των θαλασσών. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου, αλλάζουν και το ύψος τους αυξάνεται. Επίσης το σχήμα των ίδιων των κυμάτων γίνεται πιο περίπλοκο. Στον ωκεανό, μπορούν να φτάσουν σε τρομακτικές διαστάσεις. Ένα από τα πιο ζωντανά παραδείγματα εξουσίας είναι το τσουνάμι που σαρώνει τα πάντα στο μονοπάτι του.

Ενέργεια των κυμάτων των θαλασσών και των ωκεανών

Φτάνοντας στην ακτή, τα κύματα της θάλασσας με μια απότομηαλλαγές στο βάθος αυξάνονται. Μερικές φορές φθάνουν σε ύψος μερικών μέτρων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η κινητική ενέργεια μιας κολοσσιαίας μάζας νερού μεταφέρεται σε παράκτια εμπόδια, τα οποία υπό την επιρροή της γρήγορα καταρρέουν. Η δύναμη του surf σε ορισμένες φορές φτάνει σε μεγαλοπρεπή τιμές.

Ελαστικά κύματα

Στη μηχανική, όχι μόνο οι διακυμάνσεις στοτην επιφάνεια του υγρού, αλλά και τα επονομαζόμενα ελαστικά κύματα. Αυτές είναι διαταραχές που πολλαπλασιάζονται σε διαφορετικά μέσα υπό τη δράση ελαστικών δυνάμεων σε αυτά. Μια τέτοια διαταραχή είναι οποιαδήποτε απόκλιση των σωματιδίων του μέσου από τη θέση ισορροπίας. Ένα καλό παράδειγμα ελαστικών κυμάτων είναι ένα μακρύ σχοινί ή ένας λαστιχένιος σωλήνας συνδεδεμένος στο ένα άκρο σε κάτι. Αν είναι τεντωμένη, και στη συνέχεια μια απότομη κίνηση από την πλευρά της για να δημιουργήσει ένα δεύτερο (μη κολλώδη) τελειώνει την αγανάκτησή του, μπορούμε να τα δείτε όλα πάνω από το «τρέχει μέσα» το μήκος του σχοινιού στην υποστήριξη και αντανακλούν πίσω.

Πηγή των μηχανικών κυμάτων

Η αρχική διατάραξη οδηγεί στην εμφάνιση στομέσο του κύματος. Προκαλείται από τη δράση κάποιου ξένου σώματος, το οποίο στη φυσική ονομάζεται η πηγή του κύματος. Μπορούν να είναι το χέρι ενός ανθρώπου, ο οποίος έριξε σχοινί ή μια πέτρα που ρίχτηκε στο νερό. Στην περίπτωση όπου η δράση της πηγής είναι παροδικής φύσεως, ένα και μοναδικό κύμα εμφανίζεται συχνά στο μέσο. Όταν ο "διαταραγμένος" κάνει μεγάλες ταλαντευτικές κινήσεις, τα κύματα αρχίζουν να εμφανίζονται το ένα μετά το άλλο.

Συνθήκες για την παραγωγή μηχανικών κυμάτων

Τέτοιες ταλαντώσεις δεν διαμορφώνονται πάντοτε. Μια απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνισή τους είναι η εμφάνιση, κατά τη στιγμή της διατάραξης του μέσου, των δυνάμεων που την εμποδίζουν, και ειδικότερα της ελαστικότητας. Τείνουν να φέρνουν τα γειτονικά σωματίδια πιο κοντά, καθώς αποκλίνουν, και να τα απομακρύνουν ο ένας από τον άλλο τη στιγμή της προσέγγισης. Οι δυνάμεις ελαστικότητας, που δρουν στα σωματίδια που είναι απομακρυσμένα από την πηγή διαταραχής, αρχίζουν να τα αφαιρούν από την ισορροπία. Με την πάροδο του χρόνου, όλα τα σωματίδια του μέσου εμπλέκονται σε μία δόνηση. Η διάδοση τέτοιων ταλαντώσεων είναι επίσης ένα κύμα.

Μηχανικά κύματα σε ένα ελαστικό μέσο

Σε ένα ελαστικό κύμα, υπάρχουν 2 τύποι κίνησηςταυτόχρονα: οι ταλαντώσεις των σωματιδίων και η διάδοση της διατάραξης. Ένα διαμήκιο κύμα είναι ένα μηχανικό κύμα των οποίων τα σωματίδια ταλαντεύονται κατά μήκος της κατεύθυνσης της διάδοσής του. Ένα κύμα ονομάζεται εγκάρσια, τα σωματίδια του μέσου ταλαντεύονται κατά την κατεύθυνση της διάδοσης.

Ιδιότητες μηχανικών κυμάτων

Οι διαταραχές στο διαμήκη κύμα είναιτην αραίωση και τη συμπίεση και στις εγκάρσιες μετατοπίσεις ορισμένων στρωμάτων του μέσου σε σχέση με τις άλλες. Η παραμόρφωση της συμπίεσης συνοδεύεται από την εμφάνιση ελαστικών δυνάμεων. Στην περίπτωση αυτή, η παραμόρφωση της διάτμησης συνδέεται με την εμφάνιση ελαστικών δυνάμεων αποκλειστικά σε στερεά. Σε αέρια και υγρά μέσα, η διάτμηση των στρωμάτων αυτών των μέσων δεν συνοδεύεται από την εμφάνιση αυτής της δύναμης. Λόγω των ιδιοτήτων τους, τα διαμήκη κύματα είναι ικανά να διαδοθούν σε οποιοδήποτε μέσο και εγκάρσια κύματα - αποκλειστικά σε στερεά μέσα.

Χαρακτηριστικά κύματα στην επιφάνεια των υγρών

Τα κύματα στην επιφάνεια του υγρού δεν είναι διαμήκεις και όχιεγκάρσιο. Έχουν πιο περίπλοκο, λεγόμενο διαμήκη εγκάρσιο χαρακτήρα. Στην περίπτωση αυτή, τα σωματίδια του υγρού κινούνται κατά μήκος ενός κύκλου ή κατά μήκος επιμήκων ελλειπτών. Οι κυκλικές κινήσεις σωματιδίων στην επιφάνεια του υγρού, και ειδικά με μεγάλες ταλαντώσεις, συνοδεύονται από την αργή αλλά συνεχή κίνηση τους προς την κατεύθυνση της διάδοσης κυμάτων. Είναι αυτές οι ιδιότητες των μηχανικών κυμάτων στο νερό που προκαλούν την εμφάνιση στην ακτή των διαφόρων θαλασσινών.

Συχνότητα μηχανικών κυμάτων

Εάν σε ένα ελαστικό μέσο (υγρό, στερεό,αέρια) για να διεγείρει τη δόνηση των σωματιδίων του, τότε λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, θα διαδοθεί με ταχύτητα u. Έτσι, αν σε ένα αέριο ή υγρό μέσο υπάρχει ένα δονητικό σώμα, τότε η κίνηση του θα αρχίσει να μεταδίδεται σε όλα τα σωματίδια δίπλα του. Θα περιλαμβάνουν τα ακόλουθα στη διαδικασία και ούτω καθεξής. Στην περίπτωση αυτή, απολύτως όλα τα σημεία του μέσου θα κάνουν ταλαντώσεις της ίδιας συχνότητας, ίσες με τη συχνότητα του ταλαντούμενου σώματος. Είναι η συχνότητα του κύματος. Με άλλα λόγια, αυτή η τιμή μπορεί να χαρακτηριστεί ως η συχνότητα των ταλαντώσεων σημείων στο μέσο όπου το κύμα διαδίδεται.

Αμέσως μπορεί να είναι ασαφές πώςαυτή η διαδικασία εμφανίζεται. Με μηχανικά κύματα συσχετίζεται η μεταφορά της δόνησης ενέργειας από την πηγή της προς την περιφέρεια του μέσου. Κατά τη διάρκεια αυτού του γεγονότος, υπάρχουν λεγόμενες περιοδικές παραμορφώσεις που μεταφέρονται από ένα κύμα από το ένα σημείο στο άλλο. Σε αυτή την περίπτωση, τα σωματίδια του μέσου δεν κινούνται μαζί με το κύμα. Ταλαντεύονται δίπλα στη θέση ισορροπίας τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η διάδοση ενός μηχανικού κύματος δεν συνοδεύεται από τη μεταφορά της ύλης από το ένα μέρος στο άλλο. Τα μηχανικά κύματα έχουν διαφορετική συχνότητα. Ως εκ τούτου, χωρίστηκαν σε σειρές και δημιούργησαν μια ειδική κλίμακα. Η συχνότητα μετράται σε hertz (Hz).

Βασικοί τύποι

Μηχανικά κύματα, των οποίων οι τύποι υπολογισμούμάλλον απλά, είναι ένα ενδιαφέρον αντικείμενο για μελέτη. Η ταχύτητα του κύματος (υ) είναι η ταχύτητα του μπροστινού (τόπος όλων των σημείων στα οποία έχει φτάσει η ταλάντωση του μέσου κατά τη δεδομένη στιγμή):

Υ = √G / ρ,

όπου ρ είναι η πυκνότητα του μέσου και το G είναι το μέτρο ελαστικότητας.

Κατά τον υπολογισμό, μην συγχέετε την ταχύτητα του μηχανικούκύματα σε ένα μέσο με την ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων του μέσου που εμπλέκονται στη διαδικασία κύματος. Έτσι, για παράδειγμα, ένα ηχητικό κύμα στον αέρα διαδίδεται με μια μέση ταχύτητα δονήσεων των μορίων του στα 10 m / s, ενώ η ταχύτητα ενός ηχητικού κύματος υπό κανονικές συνθήκες είναι 330 m / s.

Το μέτωπο κύματος είναι διαφόρων ειδών, τα πιο απλά από τα οποία είναι:

• Σφαιρικό - προκαλείται από δονήσεις σε αέρια ή υγρό περιβάλλον. Το πλάτος του κύματος στην περίπτωση αυτή μειώνεται καθώς η απόσταση από την πηγή είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης.

• Flat - αντιπροσωπεύει ένα επίπεδο πουείναι κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Εμφανίζεται, για παράδειγμα, σε κλειστό κύλινδρο εμβόλου όταν εκτελεί ταλαντευτικές κινήσεις. Το επίπεδο κύμα χαρακτηρίζεται από ένα σχεδόν σταθερό εύρος. Η ασήμαντη μείωση του όταν απομακρύνεται από την πηγή διαταραχής σχετίζεται με τον βαθμό ιξώδους του αερίου ή υγρού μέσου.

Μήκος κύματος

Το μήκος κύματος νοείται ως η απόσταση στην οποία το μέτωπό του θα μετακινηθεί σε χρόνο που ισούται με την περίοδο ταλάντωσης των σωματιδίων του μέσου:

λ = ΥΤ = υ / ν = 2πυ / ω,

όπου T είναι η περίοδος της ταλάντωσης, υ είναι η ταχύτητα κύματος, ω είναι η κυκλική συχνότητα, ν είναι η συχνότητα της δόνησης των σημείων του μέσου.

Δεδομένου ότι η ταχύτητα διάδοσης της μηχανικήςτο κύμα εξαρτάται πλήρως από τις ιδιότητες του μέσου, κατόπιν το μήκος του λ αλλάζει κατά τη μετάβαση από το ένα μέσο στο άλλο. Η συχνότητα της δόνησης ν παραμένει πάντοτε η ίδια. Τα μηχανικά και ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι παρόμοια στο ότι μεταδίδουν ενέργεια, αλλά δεν υπάρχει μεταφορά της ύλης.