Механични вълни: източник, свойства, формули

За да си представите какви механични вълни са, можете да хвърлите камък във водата. Кръговете, които се появяват на него и са редуващи се депресии и хребети, са пример за механични вълни. Каква е същността им? Механичните вълни са процесът на разпространение на вибрации в еластичните среди.

Вълните по повърхността на течностите

Такива механични вълни съществуват поради действието на силите на междумолекулното взаимодействие и гравитацията върху флуидните частици. Хората отдавна са изучавали този феномен. Най-забележителните са океанските и морски вълни. С увеличаването на скоростта на вятъра те се променят и височината им се увеличава. Също така формата на самите вълни става по-сложна. В океана те могат да достигнат плашещи пропорции. Един от най-ярките примери за власт е цунамито, което проследява всичко по пътя си.

Енергия на морските и океанските вълни

Достигайки до брега, морските вълни с рязка промяна в дълбочината се увеличават. Те понякога достигат височина от няколко метра. В такива моменти кинетична енергия Колосална маса вода се пренася на крайбрежни препятствия, които под нейно влияние бързо се сриват. Силата на сърф понякога достига грандиозни стойности.

Еластични вълни

В механиката се изследват не само вибрациите на повърхността на течността, но и т.нар. Еластични вълни. Това са смущения, които се размножават в различни медии под действието на еластичните сили в тях. Такова разстройство е всяко отклонение на частиците на дадена среда от равновесното положение. Добър пример за еластични вълни е дългите въжета или гумената тръба, прикрепени към единия край към нещо. Ако тя е затегнато и след това странично остри движения създава смущение на втория (необезопасен) край, можете да видите как тя ще "тича" през цялата дължина на въжето към подпората и ще бъде отразена обратно.

Източник на механични вълни

Първоначалното смущение води до появата на вълна в средата. Това се дължи на действието на някакво чуждо тяло, което във физиката се нарича източник на вълната. Те могат да бъдат ръката на човек, който размахва въже или камък, хвърлен във водата. В случаите, когато действието на източника е с преходен характер, често възниква единична вълна в средата. Когато "нарушителят" прави дълги осцилаторни движения, вълните започват да се появяват един след друг.

Условия за генериране на механични вълни

Такива трептения не винаги се образуват. Необходимо условие за външния им вид е появата, в момента на смущение на средството, на силите, които го възпрепятстват, по-специално на еластичността. Те са склонни да приближават съседните частици, когато се разминават, и да ги отблъскват един от друг в момента на сближаване. Силите на еластичност, действащи върху частиците, отдалечени от източника на смущение, започват да ги отстраняват от равновесие. С течение на времето всички частици на средата се включват в едно вибрационно движение. Разпространението на такива колебания също е вълна.

Механични вълни в еластична среда

В еластична вълна има два вида движения едновременно: колебанията на частиците и разпространението на смущението. Надлъжната вълна е механична вълна, чиито частици се люлеят по посока на разпространението му. Една вълна се нарича напречна, частиците на средата се колебаят в посоката на разпространение.

Свойства на механичните вълни

Проникванията в надлъжната вълна са разреждания и компресии, а в напречна посока - премествания (измествания) на определени слоеве на средата по отношение на останалите. Деформацията на компресията се придружава от появата на еластични сили. В този случай, скъсана деформация се свързва с появата на еластични сили изключително в твърдите вещества. В газообразни и течни среди, срязването на слоевете от тези среди не е придружено от появата на тази сила. Поради свойствата си, надлъжните вълни са способни да се разпространяват във всякакви среди и напречни вълни - изключително в твърди среди.

Характеристики на вълните по повърхността на течностите

Вълните на повърхността на течността не са надлъжни, а не напречни. Те имат по-сложен, така наречен надлъжен-напречен характер. В този случай флуидните частици се движат по окръжност или по продължение на удължени елипси. Циркулярно движение частиците на повърхността на течността и особено при големи вибрации се съпровождат от тяхното бавно, но непрекъснато движение в посоката на разпространение на вълните. Това са тези свойства на механичните вълни във водата, които причиняват появата на брега на различни морски дарове.

Честота на механичните вълни

Ако е в еластична среда (течна, твърда, газообразна), за да възбуди вибрацията на неговите частици, тогава в резултат на взаимодействието между тях тя ще се разпространява със скорост u. Така че, ако в газообразна или течна среда има вибриращо тяло, тогава нейното движение ще започне да се предава на всички частици, които са в съседство с него. Те ще включват следното в процеса и т.н. В този случай, абсолютно всички точки на носителя ще направят колебания със същата честота, равна на честотата на осцилиращото тяло. Това е честотата на вълната. С други думи, тази стойност може да се характеризира като честота на трептене точки в средата, където се разпространява вълната.

Може да не е веднага ясно как се осъществява този процес. При механични вълни се свързва предаването на вибрационна енергия от източника до периферията на средата. В хода на това съществуват така наречените периодични деформации, пренасяни от вълната от една точка до друга. В този случай частиците на средата не се движат заедно с вълната. Те се люлеят до равновесното си положение. Ето защо разпространението на механична вълна не се придружава от предаването на материята от едно място на друго. Механичните вълни имат различна честота. Затова те бяха разделени на диапазони и създадоха специален мащаб. Честотата се измерва в херц (Hz).

Основни формули

Механичните вълни, чиито изчислителни формули са доста прости, са интересен обект за проучване. Скоростта на вълната (upsilon-) е скоростта на нейното предно движение (геометричното местонахождение на всички точки, към които достига трептенията на средата в даден момент):

upsilon- = radic-G / Rho,

където rho е плътността на средата и G е модулът на еластичността.

При изчисляването не е необходимо да се бърка скоростта на механичната вълна в среда със скоростта на частиците на средата, които участват във вълновия процес. Така например, звукова вълна във въздуха се разпространява със средна скорост на вибрации на молекулите си при 10 m / s, докато скоростта на звукова вълна при нормални условия е 330 m / s.

Предната вълна е от различни видове, най-простите от които са:

• Сферични - причинени от вибрации в газообразна или течна среда. Амплитудата на вълната в този случай намалява, тъй като разстоянието от източника е обратно пропорционално на квадрата на разстоянието.

• Плосък - представлява равнина, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълните. Наблюдава се например в затворен бутален цилиндър, когато той прави осцилаторни движения. Равната вълна се характеризира с почти постоянна амплитуда. Незначителното му намаляване, когато се премести от източника на смущения, е свързано със степента на вискозитет на газовата или течната среда.

дължина на вълната

под дължина на вълната разберете разстоянието, на което неговият фронт ще бъде преместен във време, равно на периода на колебание на частиците на средата:

ламбда- = upsilon-T = v / v = 2pi-upsilon- / омега,

където T е периодът на колебание, upsilon- е скоростта на вълната, омега- е цикличната честота, nu е честотата на вибрациите на точките на средата.

Тъй като скоростта на разпространение на механичната вълна зависи изцяло от свойствата на средата, нейната дължина lambda - промени по време на прехода от една среда към друга. В този случай честотата на трептене не винаги остава същата. Механични и електромагнитни вълни са сходни по това, че предават енергия, но не носят веществото.