Undele mecanice: sursă, proprietăți, formule

Pentru a vă imagina ce valuri mecanice sunt, puteți arunca o piatră în apă. Cercurile care apar pe ea și care alternează depresiuni și crestături sunt un exemplu de valuri mecanice. Care este esența lor? Undele mecanice sunt procesul de propagare a vibrațiilor în medii elastice.

Valuri pe suprafețele lichidelor

Astfel de valuri mecanice există datorită acțiunii forțelor de interacțiune intermoleculară și a gravitației asupra particulelor de fluid. Oamenii au studiat mult timp acest fenomen. Cele mai remarcabile sunt valurile oceanice și maritime. Pe măsură ce viteza vântului crește, ele se schimbă, iar înălțimea lor crește. De asemenea, forma undelor devine mai complicată. În ocean, pot ajunge la proporții înfricoșătoare. Unul dintre cele mai vii exemple de putere este tsunami-ul care mătură totul în calea sa.

Energia undelor de mare și ocean

Ajunși la țărm, valurile de mare cu o schimbare bruscă în creștere adâncime. Ele uneori ajung la o înălțime de câțiva metri. În astfel de momente energie cinetică O masă colosală de apă este transferată la obstacolele de coastă, care, sub influența ei, se prăbușesc rapid. Puterea surfului atinge uneori valori grandioase.

Undele elastice

În studiul mecanicii nu numai fluctuații în suprafața lichidului, dar, de asemenea, așa-numitele unde elastice. Această tulburare, care sunt distribuite în diferite medii sub acțiunea forțelor elastice din ele. O astfel de perturbație este orice abatere a particulelor mediului din poziția de echilibru. Un bun exemplu de unde elastice este o frânghie lungă sau un tub de cauciuc atașat un capăt la nimic. Dacă este întinsă, și apoi o mișcare bruscă a părții de a crea un al doilea (non-lipicios) se încheie indignarea, putem vedea peste tot „alerga prin“ lungimea cablului la suport și se reflectă înapoi.

Sursa undelor mecanice

Perturbarea inițială duce la apariția unei valuri în mediu. Este cauzată de acțiunea unui corp străin, care în fizică este numit sursa valului. Ei pot fi mâna unui bărbat care a aruncat o frânghie sau o piatră aruncată în apă. În cazul în care acțiunea sursei este de natură tranzitorie, un singur val apare adesea în mediu. Atunci când "disturber" face mișcări oscilante lungi, valurile încep să apară unul după altul.

Condiții pentru generarea undelor mecanice

Astfel de oscilații nu sunt întotdeauna formate. O condiție necesară pentru apariția lor este apariția, în momentul perturbației mediului, a forțelor care îl împiedică, în special elasticitatea. Acestea tind să aducă particulele vecine într-o parte mai apropiată, pe măsură ce se deosebesc, și împingându-le departe unul de celălalt în momentul apropierii. Forțele de elasticitate, acționând asupra particulelor izolate de sursa de perturbare, încep să le elimine din echilibru. În timp, toate particulele mediului sunt implicate într-o mișcare vibrațională. Propagarea unor astfel de oscilații este, de asemenea, un val.

Undele mecanice într-un mediu elastic

Într-un val elastic, există două tipuri de mișcare simultan: oscilațiile particulelor și propagarea perturbării. Un val longitudinal este un val mecanic a cărui particule oscilează de-a lungul direcției sale de propagare. Un val este numit transversal, particulele mediului oscilând în direcția propagării acestuia.

Proprietățile undelor mecanice

Perturbațiile în undă longitudinală sunt rarefacții și comprimări, iar în direcția transversală - deplasări (deplasări) ale anumitor straturi ale mediului în raport cu celelalte. Deformarea comprimării este însoțită de apariția forțelor elastice. În acest caz, deformare la forfecare este asociat cu apariția forțelor elastice exclusiv în solide. În mediile gazoase și lichide, forfecarea straturilor din aceste medii nu este însoțită de apariția acestei forțe. Datorită proprietăților lor, undele longitudinale sunt capabile să se propageze în orice mediu și undele transversale - exclusiv în medii solide.

Caracteristicile valurilor de pe suprafața lichidelor

Valurile de pe suprafața lichidului nu sunt longitudinale și nu transversale. Ele au un caracter mai complex, așa-numitul caracter longitudinal-transversal. În acest caz, particulele de fluid se deplasează de-a lungul unui cerc sau de-a lungul unor elipse alungite. Mișcare circulară particulele de pe suprafața lichidului, și mai ales vibrațiile mari, sunt însoțite de mișcarea lentă, dar continuă, în direcția propagării undelor. Aceste proprietăți ale undelor mecanice din apă provoacă apariția pe țărm a diferitelor fructe de mare.

Frecvența undelor mecanice

Dacă într-un mediu elastic (lichid, solid, gazos) se excită vibrația particulelor sale, atunci ca urmare a interacțiunii dintre ele, se va propaga la o viteză u. Deci, dacă într-un mediu gazos sau lichid există un corp vibrator, atunci mișcarea lui va începe să fie transmisă tuturor particulelor adiacente acestuia. Acestea vor implica următoarele în proces și așa mai departe. În acest caz, absolut toate punctele din mediu vor face oscilații cu aceeași frecvență, egale cu frecvența corpului oscilant. Este frecvența valului. Cu alte cuvinte, această valoare poate fi caracterizată ca frecvența de oscilație puncte în mediul în care se propagă valul.

S-ar putea să nu fie clar imediat cum are loc acest proces. Cu valuri mecanice, transferul energiei vibrationale de la sursa sa la periferia mediului este asociat. În acest sens, există așa-numitele deformări periodice purtate de un val de la un punct la altul. În acest caz, particulele mediului nu se mișcă împreună cu valul. Ei oscilează alături de poziția lor de echilibru. De aceea, propagarea unei valuri mecanice nu este însoțită de transferul materiei de la un loc la altul. Undele mecanice au o frecvență diferită. Prin urmare, ele au fost împărțite în intervale și au creat o scară specială. Frecvența este măsurată în hertz (Hz).

Formulele de bază

Undele mecanice, ale căror formule de calcul sunt destul de simple, sunt un obiect interesant pentru studiu. Viteza valului (upsilon-) este viteza mișcării sale din față (locusul geometric al tuturor punctelor la care a atins oscilația mediului la momentul dat):

upsilon- = radic-G / Rho,

unde Rho - densitate medie, G - modulul.

Atunci când se calculează, nu este necesară confundarea vitezei unui val mecanic într-un mediu cu viteza particulelor mediului care sunt implicate în procesul de undă. Astfel, de exemplu, unda sonoră se propagă prin aer la o medie fluctuațiile de viteză ale moleculelor sale la 10 m / s, iar viteza undei acustice în condiții normale, este de 330 m / s.

Fața valurilor este de diferite tipuri, dintre care cele mai simple sunt:

• Sferice - cauzate de vibrații într-un mediu gazos sau lichid. Amplitudinea undei în acest caz scade, deoarece distanța de la sursă este invers proporțională cu pătratul distanței.

• Flat - reprezintă un plan perpendicular pe direcția propagării undelor. Apare, de exemplu, într-un cilindru cu piston închis, atunci când acesta face mișcări oscilante. Valul plan este caracterizat de o amplitudine aproape constantă. Reducerea nesemnificativă a acesteia atunci când se îndepărtează de sursa de perturbare este legată de gradul de vâscozitate al mediului gazos sau lichid.

lungime de undă

dedesubt lungime de undă înțelegeți distanța până la care se va muta frontalul său într-un timp care să fie egal cu perioada de oscilație a particulelor mediului:

lambda- = upsilon-T = upsilon- / v = 2pi-upsilon- / omega-,

unde T este perioada de oscilație, upsilon- este viteza valului, omega- este frecvența ciclică, nu este frecvența vibrațiilor punctelor mediului.

Deoarece viteza de propagare a undelor mecanice este complet dependentă de proprietățile mediului, de lungimea sa lambda - schimbări în timpul tranziției de la un mediu la altul. În acest caz, frecvența de oscilație nu - întotdeauna rămâne același. Mecanice și mecanice undele electromagnetice sunt similare prin faptul că transmit energie, dar nu poartă substanța.