Mehanički valovi: izvor, svojstva, formule

Zamisliti koji su mehanički valovi, možete baciti kamen u vodu. Krugovi koji se pojavljuju na njemu i izmjenjivanje depresije i grebena primjer su 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 oceani i morski valovi. Kako se brzina vjetra povećava, oni se mijenjaju i njihova se visina povećava. Također oblik vala postaje sve složeniji. U oceanu mogu doći do zastrašujućih razmjera. Jedan od najsvjetlijih 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 Kolosalna masa 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 se 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 je napeta, a zatim oštar pokret u stranu kako bi stvorili drugi (ne lijepi) na kraju svoje ogorčenje, možemo vidjeti sve više na „trčanje kroz” dužine užeta na podršci i odražavaju 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, u mediju se često pojavljuje jedan val. Kada "poremećaj" čini duge oscilirajuće pokrete, valovi se počinju pojavljivati ​​jedan za drugim.

Uvjeti za stvaranje mehaničkih valova

Takve oscilacije nisu uvijek oblikovane. Potreban uvjet za njihov izgled jest izgled, u trenutku perturbacije medija, sila koje ga spriječavaju, osobito elastičnost. Oni imaju tendenciju približiti susjedne čestice dok se razilaze, i guraju ih jedni od drugih u trenutku približavanja. Snage elastičnosti, djelujući na česticama 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. Val se naziva poprečno, čestice medija koje osciliraju preko njenog smjera širenja.

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 prati izgled elastičnih sila. U ovom slučaju, shear deformacija je povezan s pojavom elastičnih sila isključivo u krutinama. U plinovitim i tekućim medijima, smicanje slojeva ovih medija nije popraćeno pojavom ove sile. Zbog svojih svojstava, longitudinalni valovi mogu propagirati u bilo kojem mediju, a poprečni valovi - isključivo u čvrstim medijima.

Značajke valova na površini tekućina

Valovi na površini tekućine nisu uzdužni, a ne poprečni. Imaju složeniji, takozvani uzdužni poprečni karakter. U tom slučaju, čestice tekućine kreću se duž kruga ili duž produljenih elipsa. Kružni pokret čestice na površini tekućine, a posebice kod velikih vibracija, praćene su njihovim sporim ali kontinuiranim pomicanjem u smjeru širenja valova. To su svojstva mehaničkih valova u vodi koja uzrokuju pojavu na obali raznih plodova mora.

Učestalost mehaničkih valova

Ako je elastična medija (tekućina, krutina, plin) da pokrene svoje oscilacija čestica, zbog interakcije između njih, to će propagirati s brzinom u. Dakle, ako u plinovitom ili tekućem mediju postoji vibrirajuće tijelo, tada će se njegovo kretanje prenijeti na sve čestice koje su susjedne. Oni će uključivati ​​sljedeće u proces i tako dalje. U ovom slučaju, apsolutno sve točke medija čine oscilacije iste frekvencije, jednako učestalosti oscilirajućeg tijela. To je frekvencija vala. Drugim riječima, ova se vrijednost može opisati kao frekvencija oscilacije točke na sredini gdje se val širi.

Možda nije jasno kako se taj proces odvija. S mehaničkim valovima prenosi se vibracijska energija od izvora do periferije medija. U toku tzv. Periodičnih deformacija koje se prenose valom s jedne točke u drugu. U ovom slučaju, čestice medija ne pomiču se zajedno s valom. Oni osciliraju pored ravnotežnog položaja. Zato propagacija mehaničkog vala nije praćena prijenosom tvari s jednog mjesta na drugo. Mehanički valovi imaju različitu frekvenciju. Stoga su podijeljeni u raspone 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 (upsilon-) je brzina njegovog prednjeg kretanja (geometrijski položaj svih točaka do kojih je dosegla oscilacija medija u danom trenutku):

upsilon- = radikalno-G / Rho,

gdje rho- je gustoća medija, a G je modul elastičnosti.

Pri izračunu brzine ne treba miješati mehaničkih valova u mediju s brzinom kretanja od srednje čestica koje su uključene u proces vala. Tako, na primjer, zvuk val širi kroz zrak s prosječnom promjena brzine njenog molekula pri 10 m / s, dok je brzina zvuka val u normalnim uvjetima, je 330 m / s.

Prednji valovi su 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

ispod valna duljina razumjeti udaljenost na kojoj će se njezina prednja strana pomicati u vremenu koje odgovara razdoblju oscilacije čestica medija:

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

gdje je T razdoblje oscilacije, upsilon - je brzina vala, Omega- je ciklička frekvencija, nu je frekvencija vibracija točaka medija.

Budući da brzina širenja mehaničkog vala u potpunosti ovisi o svojstvima medija, njezinu duljinu lambda se mijenja tijekom prijelaza iz jednog medija u drugi. U ovom slučaju frekvencija oscilacije uvijek ostaje isti. Mehanički i elektromagnetski valovi su slični po tome što prenose energiju, ali ne nose tvar.