Du kan forestille dig, hvad mekaniske bølger er ved at kaste en sten i vandet. De cirkler, der vises på den og er skiftende trug og kamme, er et eksempel på mekaniske bølger. Hvad er deres essens? Mekaniske bølger er processen med vibrationsudbredelse i elastiske medier.
Bølger på flydende overflader
Sådanne mekaniske bølger eksisterer på grund af påvirkningen af intermolekylære kræfter og tyngdekraften på en væskes partikler. Folk har studeret dette fænomen i lang tid. De mest bemærkelsesværdige er havets og havets bølger. Når vindhastigheden stiger, ændrer de sig, og deres højde øges. Selve bølgernes form bliver også mere kompliceret. I havet kan de nå skræmmende proportioner. Et af de tydeligste eksempler på magt er tsunamien, der fejer alt på sin vej væk.
Havs- og havbølgers energi
Når man når kysten, øges havbølgerne med en skarp ændring i dybden. De når nogle gange en højde på flere meter. I sådanne øjeblikke overføres den kinetiske energi af en kolossal vandmasse til kystnære forhindringer, som hurtigt ødelægges under dens indflydelse. Brændingens styrke når nogle gange storslåede værdier.
Elastiske bølger
I mekanikken studeres ikke kun vibrationer på overfladen af en væske, men også de såkaldte elastiske bølger. Disse er forstyrrelser, der forplanter sig i forskellige medier under påvirkning af elastiske kræfter i dem. En sådan forstyrrelse er enhver afvigelse af partiklerne i et givet medium fra ligevægtspositionen. Et godt eksempel på elastiske bølger er et langt reb eller gummirør fastgjort til noget i den ene ende. Hvis du trækker den stramt og derefter skaber en forstyrrelse i dens anden (ufikserede) ende med en lateral skarp bevægelse, kan du se, hvordan den "løber" i hele rebets længde til støtten og reflekteres tilbage.
Kilde til mekaniske bølger
Den indledende forstyrrelse fører til fremkomsten af en bølge i mediet. Det er forårsaget af virkningen af et fremmedlegeme, som i fysik kaldes bølgens kilde. Det kan være hånden på en person, der svinger et reb, eller en småsten kastet i vandet. I det tilfælde, hvor kildens virkning er kortvarig, opstår der ofte en solitær bølge i mediet. Når "forstyreren" laver lange oscillerende bevægelser, begynder bølgerne at dukke op efter hinanden.
Betingelser for forekomsten af mekaniske bølger
Denne form for oscillation dannes ikke altid. En nødvendig betingelse for deres udseende er forekomsten i øjeblikket af forstyrrelse af mediet af kræfter, der forhindrer det, især elasticitet. De har tendens til at bringe nabopartikler tættere på hinanden, når de bevæger sig fra hinanden, og skubbe dem væk fra hinanden, når de nærmer sig hinanden. Elastiske kræfter, der virker på fjernt frakilde til forstyrrelse af partiklen, begynde at bringe dem ud af balance. Over tid er alle partikler i mediet involveret i én oscillerende bevægelse. Udbredelsen af sådanne svingninger er bølgen.
Mekaniske bølger i et elastisk medium
I en elastisk bølge er der 2 typer bevægelse samtidigt: partikeloscillationer og perturbationsudbredelse. En langsgående bølge er en mekanisk bølge, hvis partikler oscillerer langs dens udbredelsesretning. En tværgående bølge er en bølge, hvis medium partikler oscillerer på tværs af dens udbredelsesretning.
Egenskaber ved mekaniske bølger
Perturbationer i en langsgående bølge er sjældenhed og kompression, og i en tværgående bølge er de forskydninger (forskydninger) af nogle lag af mediet i forhold til andre. Kompressionsdeformationen er ledsaget af udseendet af elastiske kræfter. I dette tilfælde er forskydningsdeformation forbundet med udseendet af elastiske kræfter udelukkende i faste stoffer. I gasformige og flydende medier er forskydningen af lagene af disse medier ikke ledsaget af udseendet af den nævnte kraft. På grund af deres egenskaber kan langsgående bølger forplante sig i alle medier, mens tværgående bølger kun kan forplante sig i faste stoffer.
Bølger på overfladen af væsker
Bølger på overfladen af en væske er hverken langsgående eller tværgående. De har en mere kompleks, såkaldt langsgående-tværgående karakter. I dette tilfælde bevæger væskepartiklerne sig i en cirkel eller langs aflange ellipser. De cirkulære bevægelser af partikler på overfladen af en væske, og især under store svingninger, er ledsaget af deres langsomme, men kontinuerligebevæger sig i retning af bølgeudbredelse. Det er disse egenskaber ved mekaniske bølger i vandet, der forårsager udseendet af forskellige fisk og skaldyr på kysten.
Mekanisk bølgefrekvens
Hvis i et elastisk medium (flydende, fast, gasformig) vibration af dets partikler exciteres, så vil den på grund af interaktionen mellem dem udbredes med en hastighed u. Så hvis et oscillerende legeme er i et gasformigt eller flydende medium, vil dets bevægelse begynde at blive overført til alle partikler, der støder op til det. De vil inddrage de næste i processen og så videre. I dette tilfælde vil absolut alle punkter på mediet begynde at oscillere med samme frekvens, lig med frekvensen af det oscillerende legeme. Det er frekvensen af bølgen. Med andre ord kan denne værdi karakteriseres som oscillationsfrekvensen af punkter i mediet, hvor bølgen forplanter sig.
Det er muligvis ikke umiddelbart klart, hvordan denne proces foregår. Mekaniske bølger er forbundet med overførsel af energi fra oscillerende bevægelse fra dens kilde til mediets periferi. Som følge heraf opstår såkaldte periodiske deformationer, som føres af bølgen fra et punkt til et andet. I dette tilfælde bevæger mediets partikler sig ikke sammen med bølgen. De svinger nær deres ligevægtsposition. Derfor er udbredelsen af en mekanisk bølge ikke ledsaget af overførsel af stof fra et sted til et andet. Mekaniske bølger har forskellige frekvenser. Derfor blev de opdelt i intervaller og skabt en speciel skala. Frekvensen måles i hertz (Hz).
Grundlæggende formler
Mekaniske bølger, hvis beregningsformler er ret enkle, er et interessant objekt at studere. Bølgehastigheden (υ) er hastigheden af dens frontbevægelse (stedet for alle punkter, hvortil mediets oscillation har nået i øjeblikket):
υ=√G/ ρ, hvor ρ er mediets densitet, G er elasticitetsmodulet.
Når du beregner, må du ikke forveksle hastigheden af en mekanisk bølge i et medium med bevægelseshastigheden af partikler af mediet, der er involveret i bølgeprocessen. Så for eksempel forplanter en lydbølge i luft sig med en gennemsnitlig vibrationshastighed for sine molekyler på 10 m/s, mens hastigheden af en lydbølge under normale forhold er 330 m/s.
Bølgefront kommer i mange former, hvoraf de enkleste er:
• Sfærisk - forårsaget af fluktuationer i et gasformigt eller flydende medium. I dette tilfælde falder bølgens amplitude med afstanden fra kilden i omvendt proportion til kvadratet på afstanden.
• Flad - er et plan, der er vinkelret på bølgeudbredelsesretningen. Det opstår for eksempel i en lukket stempelcylinder, når det svinger. En plan bølge er karakteriseret ved en næsten konstant amplitude. Dets lille fald med afstanden fra kilden til forstyrrelse er forbundet med viskositeten af det gasformige eller flydende medium.
Bølgelængde
Under bølgelængden forstås den afstand, som dens front vil bevæge sig over i den tid, derer lig med oscillationsperioden for mediets partikler:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, hvor T er oscillationsperioden, υ er bølgehastigheden, ω er den cykliske frekvens, ν er oscillationsfrekvensen for mellempunkterne.
Da udbredelseshastigheden af en mekanisk bølge er fuldstændig afhængig af mediets egenskaber, ændres dens længde λ under overgangen fra et medie til et andet. I dette tilfælde forbliver oscillationsfrekvensen ν altid den samme. Mekaniske og elektromagnetiske bølger ligner hinanden ved, at når de forplanter sig, overføres energi, men intet stof overføres.
