Mehanski valovi: vir, lastnosti, formule

Če si želite predstavljati, kakšne so mehanske valove, lahko v kamen vržete v vodo. Krogi, ki se pojavljajo na njem in so izmenične depresije in grebeni, so primer mehaničnih valov. Kakšno je njihovo bistvo? Mehanični valovi so proces razmnoževanja vibracij v elastičnih medijih.

Valovi na površinah tekočin

Takšni mehanski valovi obstajajo zaradi delovanja intermolekularnih sil interakcije in gravitacije na delce tekočine. Ljudje že dolgo preučujejo ta pojav. Najbolj pomembne so morski in morski valovi. Ker se hitrost vetra povečuje, se spreminjajo in njihova višina se poveča. Tudi oblika valov sam postane bolj zapletena. V oceanu lahko dosežejo zastrašujoče razsežnosti. Eden od najbolj živih primerov moči je cunami, ki vse potujejo po svoji poti.

Energija morskih in oceanskih valov

Doseganje obale, morski valovi z ostro spremembo v globinskem povečanju. Včasih dosežejo višino nekaj metrov. V takih trenutkih kinetična energija Ogromna masa vode se prenese na obalne ovire, ki se pod svojim vplivom hitro zrušijo. Moč surfa včasih doseže veličastne vrednosti.

Elastični valovi

V mehaniki se preučujejo ne samo tresljaji na površini tekočine, temveč tudi ti elastični valovi. Gre za motnje, ki se v različnih medijih razmnožujejo pod vplivom elastičnih sil v njih. Takšna motnja je vsako odstopanje delcev danega medija iz ravnovesnega položaja. Dober primer elastičnih valov je dolga vrv ali gumijasta cev, pritrjena na enem koncu do nečesa. Če je zategnjena in potem stransko ostro gibanje ustvari motnjo na drugem (nezavarovanem) koncu, lahko vidite, kako bo "potekala" skozi celotno dolžino vrvi do podlage in se odražala nazaj.

Vir mehaničnih valov

Začetna motnja povzroči nastanek vira v mediju. Vzrok je dejanja nekega tujega telesa, ki se v fiziki imenuje vir vala. Lahko so roka človeka, ki je vrgel vrv ali kamen, vržen v vodo. V primeru, da je delovanje vira prehodne narave, se v mediju pogosto pojavlja en val. Ko "disturber" naredi dolga oscilatorna gibanja, se valovi začnejo pojavljati ena za drugo.

Pogoji za ustvarjanje mehanskih valov

Take oscilacije niso vedno oblikovane. Nujni pogoj za njihov videz je videz sil v času motnje medija, ki ga prepreči, zlasti elastičnost. Težijo k približevanju sosednjih delcev, ko se razhajajo, in jih v trenutku zbližanja potisnejo drug od drugega. Sile elastičnosti, ki delujejo na delce, ki so oddaljeni od vira motenj, jih začnejo odstraniti iz ravnotežja. Sčasoma so vsi delci medija vključeni v eno vibracijsko gibanje. Širjenje takšnih nihanj je tudi val.

Mehanske valove v elastičnem mediju

V elastičnem valu obstajata dve vrsti gibanja hkrati: nihanja delcev in razmnoževanje perturbacije. Vzdolžni val je mehanski val, katerega delci nihajo vzdolž smeri njenega širjenja. Val se imenuje prečni, delci medija, ki nihajo po svoji smeri razmnoževanja.

Lastnosti mehanskih valov

Perturbacije v vzdolžnem valu so redfekcije in kompresije ter v prečni smeri - premiki (pomiki) določenih plasti medija glede na druge. Stresno deformacijo spremlja videz elastičnih sil. V tem primeru, strižna deformacija je povezana s pojavom elastičnih sil izključno v trdnih delih. V plinastih in tekočih medijih striženje plasti teh medijev ne spremlja videza te sile. Zaradi svojih lastnosti so vzdolžni valovi sposobni propagirati v vseh medijih in transverzalnih valovih - izključno v trdnih medijih.

Značilnosti valov na površini tekočin

Valovi na površini tekočine niso vzdolžni in ne prečni. Imajo bolj zapleten, tako imenovani vzdolžni prečni znak. V tem primeru se delci tekočine premikajo vzdolž kroga ali vzdolž podolgovatih elips. Krožno gibanje delci na površini tekočine in še posebej pri velikih vibracijah spremljajo njihovo počasno, vendar neprekinjeno gibanje v smeri širjenja valov. Te lastnosti mehanskih valov v vodi povzročajo videz na obali različnih morskih sadežev.

Pogostost mehanskih valov

Če v elastičnem mediju (tekoče, trdno, plinasto) vzbudi vibracije njegovih delcev, se bo zaradi interakcije med njimi propagirala s hitrostjo u. Torej, če v plinastem ali tekočem mediju obstaja vibrirajoče telo, se bo njegovo gibanje začelo prenesti na vse delce, ki so sosednje. V proces vključujejo naslednje in tako naprej. V tem primeru bodo absolutno vse točke medija ustvarile oscilacije enake frekvence, enake pogostnosti nihajočega telesa. To je frekvenca valov. Z drugimi besedami, to vrednost lahko označimo kot frekvenca oscilacije točke v mediju, kjer se val razmnožuje.

Morda ne bo takoj jasno, kako ta proces poteka. Z mehanskimi valovi je povezan prenos vibracijske energije iz njenega vira na obod medija. V tem času obstajajo tako imenovane periodične deformacije, ki jih nosi val iz ene točke na drugo. V tem primeru se delci medija ne premikajo skupaj z valom. Nihajo poleg svoje ravnovesne pozicije. Zato propagiranje mehanskega vala ne spremlja prenos snovi iz enega mesta v drugega. Mehanični valovi imajo drugačno frekvenco. Zato so bili razdeljeni v obseg in ustvarili posebno lestvico. Frekvenca se meri v Hz (Hz).

Osnovne formule

Mehanični valovi, katerih formule za izračun so dokaj enostavni, so zanimiv predmet za študij. Hitrost vala (upsilon-) je hitrost njegovega gibanja spredaj (geometrijski lokus vseh točk, na katere je dosegel nihanje medija v danem trenutku):

upsilon- = radic-G / rho-,

kjer rho- gostota medija, G pa modul elastičnosti.

Pri izračunu ni treba zamenjati hitrosti mehanskega valovanja v mediju s hitrostjo delcev medija, ki so vključeni v valovni proces. Torej, na primer, zvočni val v zraku propagira s povprečno hitrostjo vibracij svojih molekul pri 10 m / s, medtem ko je hitrost zvočnega valovanja pri normalnih pogojih 330 m / s.

Sprednji val je različnih vrst, od katerih je najpreprostejši:

• Sferični - ki ga povzročajo vibracije v plinastem ali tekočem mediju. Amplituda valov v tem primeru se zmanjša, saj je razdalja od vira obratno sorazmerna kvadratu razdalje.

• Stanovanje - predstavlja ravnino, ki je pravokotna na smer razširjanja valov. To se zgodi, na primer, v zaprtem cilindru batov, ko gre za oscilatorna gibanja. Ravninski val je značilna skoraj konstantna amplituda. Njegova nepomembna manjša odmik od izvora motenj je povezana s stopnjo viskoznosti plinastega ali tekočega medija.

Valovna dolžina

Z valovna dolžina razumeti razdaljo, do katere bo sprednja stran premaknjena v času, ki je enako obdobju nihanja delcev medija:

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

kjer je T čas oscilacije, upsilon- je hitrost valovanja, Omega je ciklična frekvenca, nu je frekvenca vibracij točk medija.

Ker je hitrost propagacije mehanskega vala popolnoma odvisna od lastnosti medija, njegove dolžine lambda-sprememb med prehodom iz enega medija na drugega. V tem primeru je frekvenca nihanja nu- vedno ostaja nespremenjen. Mehanski in elektromagnetni valovi so podobni, ker prenašajo energijo, vendar snovi ne nosijo.