Mehanički valovi: izvor, svojstva, formule

Zamisliti što su mehanički valovi, možete baciti kamen u vodu. Krugovi koji se pojavljuju na njemu i izmjenične depresije i grebeni su primjer mehaničkih valova. Koja je njihova suština? Mehanički valovi su proces razmnožavanja vibracija u elastičnim medijima.

Valovi na površinama tekućina

Takvi mehanički valovi postoje zbog djelovanja intermolekularnih interakcijskih sila i gravitacije na česticama tekućine. Ljudi već dugo proučavaju ovaj fenomen. Najznačajniji su oceanski i morski valovi. Kako se brzina vjetra povećava, oni se mijenjaju, a njihova se visina povećava. Oblik valova također postaje složeniji. U oceanu mogu doći do zastrašujućih razmjera. Jedan od najočiglednijih primjera moći jest tsunami koji sve nadmašuje na svom putu.

Energija morskih i oceanskih valova

Dolaskom na obalu, more valovi s oštrom promjenom povećanja dubine. Ponekad dosežu visinu od nekoliko metara. U takvim trenucima, kinetička energija kolosalne mase vode prenosi se na obalne prepreke, koje pod njegovim utjecajem brzo propadaju. Moć surfanja ponekad doseže veličanstvene vrijednosti.

Elastični valovi

U mehanici se proučavaju ne samo vibracije na površini tekućine, već i tzv. Elastični valovi. To su perturbacije koje propagiraju u različitim medijima pod djelovanjem elastičnih sila u njima. Takva perturbacija je svako odstupanje čestica određenog medija iz ravnotežnog položaja. Dobar primjer elastičnih valova je dugo uže ili gumena cijev koja je pričvršćena na jedan kraj na nešto. Ako se stegne, a lateralno oštar pokret uzrokuje poremećaj na drugom (neosiguranom) kraju, možete vidjeti kako će se "trčati" kroz cijelu dužinu konopa na potporu i odražavati se natrag.

Izvor mehaničkih valova

Početna perturbacija dovodi do pojave vala u mediju. To je uzrokovano djelovanjem nekog stranog tijela, koje se u fizici naziva izvorom vala. Oni mogu biti ruka čovjeka koji je gurnuo uže ili kamen bačen u vodu. U slučaju da je djelovanje izvora prolazne prirode, jedan medijski val često javlja. Kada "poremećaj" čini duge oscilirajuće pokrete, valovi se počinju pojavljivati jedan za drugim.

Uvjeti za stvaranje mehaničkih valova

Takve oscilacije nisu uvijek formirane. Potrebni uvjet njihova pojavljivanja jest izgled, u vrijeme poremećaja medija, sila koje ga pretežu, osobito elastičnost. Oni imaju tendenciju približiti susjedne čestice dok se razilaze, i guraju ih jedni od drugih u trenutku približavanja. Snage elastičnosti, djelujući na čestice udaljenim od izvora poremećaja, počinju ih ukloniti iz ravnoteže. Tijekom vremena, sve čestice medija su uključene u jedan vibracijski pokret. Širenje takvih oscilacija je također val.

Mehanički valovi u elastičnom mediju

U elastičnom valu istodobno su dvije vrste gibanja: oscilacije čestica i širenje perturbacije. Uzdužni val je mehanički val čije čestice osciliraju duž smjera njezine propagacije. Poprečni val je val čije se srednje čestice osciliraju u smjeru njezine propagacije.

Svojstva mehaničkih valova

Perturbacije u uzdužnom valu su rijetke pojave i kompresije, au poprečnom smjeru - pomaka (pomaka) određenih slojeva medija u odnosu na druge. Deformacija kompresije popraćena je pojavom elastičnih sila. U ovom slučaju, deformacija smicanja povezana je s pojavom elastičnih sila isključivo u krutom stanju. U plinovitim i tekućim medijima, smicanje slojeva ovih medija nije popraćeno pojavom ove sile. Zbog njihovih svojstava, longitudinalni valovi mogu propagirati u bilo kojem mediju, a poprečni valovi - isključivo u krutom stanju.

Značajke valova na površini tekućina

Valovi na površini tekućine nisu uzdužni, a ne poprečni. Imaju složeniji, tzv. Uzdužni poprečni karakter. U tom slučaju, čestice tekućine kretanje duž kruga ili duž produljene elipse. Kružne gibanje čestica na površini tekućine, a osobito kod velikih oscilacija, praćeno je njihovim sporim ali kontinuiranim pomicanjem u smjeru širenja valova. To su svojstva mehaničkih valova u vodi koja uzrokuju pojavu na obali različitih plodova mora.

Učestalost mehaničkih valova

Ako se u elastičnom sredstvu (tekućina, čvrsta, plinovita) da uzbudi vibraciju njezinih čestica, onda će zbog interakcije između njih propagirati brzinom od u. Dakle, ako je vibrirajuće tijelo u plinovitom ili tekućem mediju, njegovo kretanje će se prenijeti na sve čestice susjedne. Oni će uključivati sljedeće u proces i tako dalje. U ovom slučaju, apsolutno sve točke medija će oscilirati na istoj frekvenciji, jednakoj učestalosti oscilirajućeg tijela. To je frekvencija vala. Drugim riječima, ova vrijednost može se karakterizirati kao frekvencija oscilacija točaka u mediju u kojem se val širi.

Odjednom može biti nejasno kako se taj proces odvija. S mehaničkim valovima prenosi se vibracijska energija od izvora do periferije medija. U toku tzv. Periodičke deformacije koje se prenose valom s jedne točke u drugu. U ovom slučaju, čestice medija same se, zajedno s valom, ne micaju. Oni osciliraju pored ravnotežnog položaja. Zato se propagacija mehaničkog vala ne prati prijenosom materije s jednog mjesta na drugo. Mehanički valovi imaju različitu frekvenciju. Stoga su podijeljeni u raspon i stvorili posebnu skalu. Frekvencija se mjeri u hertzu (Hz).

Osnovne formule

Mehanički valovi, čije su izračunske formule prilično jednostavne, zanimljiv su predmet istraživanja. Brzina vala (υ) je brzina njegovog prednjeg kretanja (geometrijski položaj svih točaka do kojih je dosegla oscilacija medija u danom trenutku):

Υ = √G / ρ,

Gdje je ρ gustoća medija, a G je modul elastičnosti.

Prilikom izračunavanja ne smijemo zbuniti brzinu mehaničkog vala u mediju brzinom brzine čestica medija koji su uključeni u proces vala. Tako se, na primjer, zvučni val u zraku širi s prosječnom brzinom oscilacije svojih molekula na 10 m / s, a brzina zvučnog vala u normalnim uvjetima iznosi 330 m / s.

Prednji val je raznih vrsta, od kojih su najjednostavniji:

• Sferni - uzrokovan vibracijama u plinovitom ili tekućem mediju. Amplituda vala u ovom slučaju smanjuje se kao udaljenost od izvora obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti.

• Stan - predstavlja ravninu koja je okomita na smjer širenja vala. To se događa, na primjer, u zatvorenom klipnom cilindru, kada čini oscilirajuće kretnje. Val ravnine karakterizira gotovo konstantna amplituda. Njegovo neznatno smanjenje prilikom odstupanja od izvora poremećaja povezano je s stupnjem viskoznosti plinovitog ili tekućeg medija.

valna duljina

Valna duljina se podrazumijeva kao udaljenost do kojega će se njegov prednji dio pomicati u vremenu koje odgovara razdoblju oscilacije čestica medija:

Λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

Tamo gdje je T razdoblje oscilacije, υ je brzina vala, ω je ciklička frekvencija, ν je frekvencija vibracija točaka medija.

Budući da je brzina širenja mehaničkog vala potpuno ovisna o svojstvima medija, njezina duljina λ varira tijekom prijelaza iz jednog medija u drugi. U tom slučaju, frekvencija vibracije ν uvijek ostaje ista. Mehanički i elektromagnetski valovi su slični po tome što prenose energiju, ali nema prijenosa tvari.