Mechanické vlny: zdroj, vlastnosti, vzorce

Představte si, jaké jsou mechanické vlny, můžete hodit kámen do vody. Kruhy, které se na něm objevují, střídavé prohlubně a hřebeny jsou příkladem mechanických vln. Jaká je jejich podstata? Mechanické vlny jsou proces šíření vibrací v elastických médiích.

Vlny na povrchu kapalin

Takové mechanické vlny existují kvůli působení intermolekulárních interakčních sil a gravitace na částice tekutiny. Lidé tento fenomén již dlouho studovali. Nejpozoruhodnější jsou oceánské a mořské vlny. Jak se zvyšuje rychlost větru, mění se a jejich výška se zvyšuje. Také tvar vln je složitější. V oceánu mohou dosáhnout děsivých proporcí. Jedním z nejživějších příkladů moci je tsunami, které zametá všechno na své cestě.

Energie mořských a oceánských vln

Dochází k břehu, mořské vlny s výraznou změnou hloubky zvyšují. Občas dosahují výšky několika metrů. V takových okamžicích kinetické energie Kolosální hmota vody se přenáší na pobřežní překážky, které se pod jeho vlivem rychle zhroutí. Síla surfování někdy dosahuje grandiózních hodnot.

Elastické vlny

V mechanice jsou studovány nejen vibrace na povrchu kapaliny, ale také tzv. Elastické vlny. Jedná se o poruchy, které se šíří v různých médiích pod působením elastických sil v nich. Taková porucha je jakákoliv odchylka částic daného média od rovnovážné polohy. Dobrým příkladem elastických vln je dlouhé lano nebo pryžová trubice, která je k němu připojena na jednom konci. Pokud je utaženo a pak boční ostré pohyby způsobí poruchu na druhém (nezabezpečeném) konci, uvidíte, jak to bude "běhat" po celé délce lana k podpěře a odrazí se zpět.

Zdroj mechanických vln

Počáteční porucha vede ke vzniku vlny v médiu. Je to způsobeno působením nějakého cizího těla, které se ve fyzice nazývá zdrojem vlny. Mohou to být ruka člověka, který hodil lano nebo kámen hodil do vody. V případě, kdy je působení zdroje přechodné povahy, v médiu často vzniká jediná vlna. Když "disturber" dělá dlouhé oscilační pohyby, vlny se začínají objevovat jeden za druhým.

Podmínky pro tvorbu mechanických vln

Takové oscilace nejsou vždy vytvořeny. Nutnou podmínkou pro jejich vzhled je vzhled, ve chvíli, kdy je médium narušeno, silám, které mu brání, zejména pružnost. Mají tendenci přivést sousední částice blíže, když se rozcházejí, a odvádějí je od sebe v okamžiku sbližování. Síly pružnosti působící na částice vzdálené od zdroje rušení začínají je odstraňovat z rovnováhy. Časem se všechny částice média podílejí na jednom vibračním pohybu. Propagace takových oscilací je také vlna.

Mechanické vlny v elastickém médiu

V elastické vlně existují dva typy pohybu současně: oscilace částic a šíření poruchy. Podélná vlna je mechanická vlna, jejíž částice oscilují ve směru jejího šíření. Vlna se nazývá příčná, částice média kmitá ve směru šíření.

Vlastnosti mechanických vln

Poruchy v podélných vlnách jsou vyzařování a stlačení a v příčném směru - posunutí (posunutí) určitých vrstev média vzhledem k ostatním. Kompresní deformace doprovází vzhled elastických sil. V tomto případě, smykové deformace je spojena s výskytem elastických sil výhradně v pevných látkách. V plynných a kapalných médiích není strkání vrstev těchto médií doprovázeno výskytem této síly. Díky svým vlastnostem se podélné vlny mohou šířit v jakémkoli médiu a příčné vlny - výhradně v pevných médiích.

Vlastnosti vln na povrchu kapalin

Vlny na povrchu kapaliny nejsou podélné a nejsou příčné. Mají složitější, tzv. Podélně-příčný charakter. V tomto případě se částice tekutiny pohybují podél kruhu nebo podél podlouhlých elips. Kruhový pohyb částice na povrchu kapaliny a zejména pro velké vibrace jsou doprovázeny jejich pomalým, ale nepřetržitým pohybem ve směru šíření vln. To jsou tyto vlastnosti mechanických vln ve vodě, které způsobují vzhled na pobřeží různých mořských živočichů.

Frekvence mechanických vln

Je-li v elastickém médiu (kapalné, pevné, plynné), aby vyvolalo vibrace jeho částic, pak v důsledku interakce mezi nimi bude šířit rychlostí u. Takže pokud je v plynném nebo kapalném médiu vibrační tělo, pak jeho pohyb začne být přenášen na všechny částice sousedící s ním. Budou zahrnovat následující procesy a tak dále. V tomto případě absolutně všechny body média způsobí kmity stejného kmitočtu, které se rovnají frekvenci oscilačního tělesa. Je to frekvence vlny. Jinými slovy lze tuto hodnotu charakterizovat jako frekvence kmitání body v médiu, kde se vlna šíří.

Možná není okamžitě jasné, jak probíhá tento proces. Při mechanických vlnách je spojen přenos vibrační energie od jejího zdroje k okraji média. Během této doby dochází k tzv. Periodickým deformacím přenášeným vlnou z jednoho místa do druhého. V tomto případě se částice média nepohybují společně s vlnou. Oscilají vedle své rovnovážné polohy. Proto šíření mechanické vlny není doprovázeno přenosem hmoty z jednoho místa na druhé. Mechanické vlny mají jinou frekvenci. Proto byly rozděleny do rozmezí a vytvořily speciální měřítko. Frekvence je měřena v Hz (Hz).

Základní vzorce

Mechanické vlny, jejichž výpočetní vzorce jsou poměrně jednoduché, jsou zajímavým předmětem studia. Rychlost vlny (upsilon-) je rychlost jejího předního pohybu (geometrický lokus všech bodů, na který oscilace média v daném okamžiku dosáhla):

upsilon- = radic-G / rho-,

kde rho- je hustota média a G je modul pružnosti.

Při výpočtu není nutné zaměňovat rychlost mechanické vlny v médiu se rychlostí částic média, které se podílejí na procesu vln. Takže například zvuková vlna ve vzduchu se šíří průměrnou rychlostí vibrací svých molekul při rychlosti 10 m / s, zatímco rychlost zvukové vlny za normálních podmínek je 330 m / s.

Přední strana vln je různého druhu, z nichž nejjednodušší jsou:

• Koule - způsobené vibracemi v plynném nebo kapalném médiu. Amplituda vlny se v tomto případě snižuje, protože vzdálenost od zdroje je nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti.

• Plochý - představuje rovinu, která je kolmá na směr šíření vln. Vyskytuje se například v uzavřeném pístovém válci, když dochází k oscilačním pohybům. Rovinná vlna je charakterizována téměř konstantní amplitudou. Jeho nevýznamný pokles při odklonu od rušivého zdroje souvisí se stupněm viskozity plynného nebo kapalného média.

Vlnová délka

By vlnové délky porozumět vzdálenosti, do které bude jeho přední část posunuta v čase, který se rovná době oscilace částic média:

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

kde T je perioda oscilace, upsilon- je rychlost vlny, omega- je cyklická frekvence, nu je frekvence vibrací bodů média.

Vzhledem k tomu, že rychlost šíření mechanické vlny je zcela závislá na vlastnostech média, jeho délce lambda - změny během přechodu z jednoho média do druhého. V tomto případě frekvence oscilace ne vždy zůstává stejná. Mechanické a elektromagnetických vln jsou podobné v tom, že přenášejí energii, ale nenesou látku.