Îți poți imagina ce sunt undele mecanice aruncând o piatră în apă. Cercurile care apar pe el și sunt jgheaburi și creste alternând sunt un exemplu de unde mecanice. Care este esența lor? Undele mecanice sunt procesul de propagare a vibrațiilor în medii elastice.
Valuri pe suprafețe lichide
Astfel de unde mecanice există datorită influenței forțelor intermoleculare și a gravitației asupra particulelor unui lichid. Oamenii studiază acest fenomen de multă vreme. Cele mai notabile sunt valurile oceanului și mării. Pe măsură ce viteza vântului crește, acestea se schimbă și înălțimea lor crește. Forma valurilor în sine devine, de asemenea, mai complicată. În ocean, pot atinge proporții înspăimântătoare. Unul dintre cele mai clare exemple de forță este tsunami-ul care mătură totul în cale.
Energia mării și a valurilor oceanice
Când ajung la țărm, valurile mării cresc cu o schimbare bruscă a adâncimii. Uneori ating o înălțime de câțiva metri. În astfel de momente, energia cinetică a unei mase colosale de apă este transferată obstacolelor de coastă, care sunt distruse rapid sub influența sa. Puterea surfului atinge uneori valori grandioase.
Valuri elastice
În mecanică nu sunt studiate doar vibrațiile de pe suprafața unui lichid, ci și așa-numitele unde elastice. Acestea sunt perturbații care se propagă în diferite medii sub acțiunea forțelor elastice din acestea. O astfel de perturbare este orice abatere a particulelor unui mediu dat de la poziția de echilibru. Un bun exemplu de unde elastice este o frânghie lungă sau un tub de cauciuc atașat de ceva la un capăt. Dacă îl trageți strâns și apoi creați o perturbare la cel de-al doilea capăt (nefixat) cu o mișcare laterală ascuțită, puteți vedea cum „se desfășoară” pe toată lungimea frânghiei până la suport și este reflectată înapoi.
Sursa undelor mecanice
Perturbația inițială duce la apariția unei unde în mediu. Este cauzată de acțiunea unui corp străin, care în fizică se numește sursa undei. Poate fi mâna unei persoane care balansează o frânghie sau o pietricică aruncată în apă. În cazul în care acțiunea sursei este de scurtă durată, în mediu apare adesea un val solitar. Când „perturbatorul” face mișcări oscilatorii lungi, undele încep să apară una după alta.
Condiții de apariție a undelor mecanice
Acest tip de oscilație nu se formează întotdeauna. O condiție necesară pentru apariția lor este apariția în momentul perturbării mediului de forțe care îl împiedică, în special, elasticitatea. Ele tind să apropie particulele învecinate atunci când se depărtează și să le împingă una de ceal altă când se apropie una de alta. Forțe elastice care acționează la distanță desursă de perturbare a particulei, începeți să le scoateți din echilibru. De-a lungul timpului, toate particulele mediului sunt implicate într-o singură mișcare oscilatorie. Propagarea unor astfel de oscilații este unda.
Unde mecanice într-un mediu elastic
Într-o undă elastică, există 2 tipuri de mișcare simultan: oscilațiile particulelor și propagarea perturbației. O undă longitudinală este o undă mecanică ale cărei particule oscilează de-a lungul direcției de propagare. O undă transversală este o undă ale cărei particule medii oscilează pe direcția de propagare.
Proprietățile undelor mecanice
Perturbațiile într-o undă longitudinală sunt rarefacție și compresie, iar într-o undă transversală sunt deplasări (deplasări) ale unor straturi ale mediului față de altele. Deformarea prin compresie este însoțită de apariția unor forțe elastice. În acest caz, deformarea prin forfecare este asociată cu apariția forțelor elastice exclusiv în solide. În mediile gazoase și lichide, deplasarea straturilor acestor medii nu este însoțită de apariția forței menționate. Datorită proprietăților lor, undele longitudinale se pot propaga în orice mediu, în timp ce undele transversale se pot propaga doar în solide.
Caracteristici ale valurilor de pe suprafața lichidelor
Undele de pe suprafața unui lichid nu sunt nici longitudinale, nici transversale. Au un caracter mai complex, așa-numitul longitudinal-transvers. În acest caz, particulele fluide se mișcă într-un cerc sau de-a lungul unor elipse alungite. Mișcările circulare ale particulelor de pe suprafața unui lichid, și în special în timpul oscilațiilor mari, sunt însoțite de lor lente, dar continue.deplasându-se în direcția de propagare a undei. Aceste proprietăți ale valurilor mecanice din apă sunt cele care provoacă apariția diferitelor fructe de mare pe mal.
Frecvența undelor mecanice
Dacă într-un mediu elastic (lichid, solid, gazos) vibrația particulelor sale este excitată, atunci datorită interacțiunii dintre ele, se va propaga cu viteza u. Deci, dacă un corp oscilant se află într-un mediu gazos sau lichid, atunci mișcarea lui va începe să fie transmisă tuturor particulelor adiacente acestuia. Îi vor implica pe următorii în proces și așa mai departe. În acest caz, absolut toate punctele mediului vor începe să oscileze cu aceeași frecvență, egală cu frecvența corpului oscilant. Este frecvența undei. Cu alte cuvinte, această valoare poate fi caracterizată ca frecvența de oscilație a punctelor din mediu unde se propagă unda.
Este posibil să nu fie imediat clar cum are loc acest proces. Undele mecanice sunt asociate cu transferul de energie al mișcării oscilatorii de la sursa sa la periferia mediului. Ca urmare, apar așa-numitele deformații periodice, care sunt purtate de undă dintr-un punct în altul. În acest caz, particulele mediului în sine nu se mișcă odată cu valul. Ele oscilează în apropierea poziției lor de echilibru. De aceea propagarea unei unde mecanice nu este însoțită de transferul de materie dintr-un loc în altul. Undele mecanice au frecvențe diferite. Prin urmare, au fost împărțite în intervale și au creat o scară specială. Frecvența este măsurată în herți (Hz).
Formule de bază
Undele mecanice, ale căror formule de calcul sunt destul de simple, sunt un obiect interesant de studiat. Viteza undei (υ) este viteza mișcării sale frontale (locul tuturor punctelor la care oscilația mediului a atins în acest moment):
υ=√G/ ρ, unde ρ este densitatea mediului, G este modulul de elasticitate.
La calcul, nu confundați viteza unei unde mecanice într-un mediu cu viteza de mișcare a particulelor mediului care sunt implicate în procesul undei. Deci, de exemplu, o undă sonoră în aer se propagă cu o viteză medie de vibrație a moleculelor sale de 10 m/s, în timp ce viteza unei unde sonore în condiții normale este de 330 m/s.
Frontul de undă vine în multe forme, dintre care cele mai simple sunt:
• Sferic - cauzat de fluctuațiile într-un mediu gazos sau lichid. În acest caz, amplitudinea undei scade odată cu distanța de la sursă în proporție inversă cu pătratul distanței.
• Plat - este un plan care este perpendicular pe direcția de propagare a undei. Apare, de exemplu, într-un cilindru cu piston închis când oscilează. O undă plană este caracterizată de o amplitudine aproape constantă. Scăderea sa ușoară odată cu distanța față de sursa de perturbare este asociată cu gradul de vâscozitate al mediului gazos sau lichid.
Lungime de undă
Sub lungimea de undă se înțelege distanța pe care se va deplasa frontul său în timpul în careeste egal cu perioada de oscilație a particulelor mediului:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, unde T este perioada de oscilație, υ este viteza undei, ω este frecvența ciclică, ν este frecvența de oscilație a punctelor medii.
Deoarece viteza de propagare a unei unde mecanice este complet dependentă de proprietățile mediului, lungimea sa λ se modifică în timpul tranziției de la un mediu la altul. În acest caz, frecvența de oscilație ν rămâne întotdeauna aceeași. Undele mecanice și electromagnetice sunt similare prin aceea că atunci când se propagă, energia este transferată, dar nu se transferă nicio materie.
