Можете да си представите какво представляват механичните вълни, като хвърлите камък във водата. Кръговете, които се появяват върху него и представляват редуващи се улеи и хребети, са пример за механични вълни. Каква е тяхната същност? Механичните вълни са процесът на разпространение на вибрации в еластична среда.
Вълни върху течни повърхности
Такива механични вълни съществуват поради влиянието на междумолекулните сили и гравитацията върху частиците на течността. Хората изучават това явление от дълго време. Най-забележителните са океанските и морските вълни. С увеличаване на скоростта на вятъра те се променят и височината им се увеличава. Формата на самите вълни също става по-сложна. В океана те могат да достигнат плашещи размери. Един от най-ярките примери за сила е цунамито, което помита всичко по пътя си.
Енергия на морските и океанските вълни
При достигане на брега, морските вълни се увеличават с рязка промяна в дълбочината. Понякога достигат височина от няколко метра. В такива моменти кинетичната енергия на колосална маса вода се прехвърля към крайбрежните препятствия, които бързо се разрушават под нейното влияние. Силата на сърфа понякога достига грандиозни стойности.
Еластични вълни
В механиката се изучават не само вибрациите на повърхността на течността, но и така наречените еластични вълни. Това са смущения, които се разпространяват в различни среди под действието на еластични сили в тях. Такова смущение е всяко отклонение на частиците на дадена среда от равновесното положение. Добър пример за еластични вълни е дълго въже или гумена тръба, прикрепена към нещо в единия край. Ако го издърпате здраво и след това създадете смущение във втория му (нефиксиран) край със странично рязко движение, можете да видите как то „протича“по цялата дължина на въжето до опората и се отразява обратно.
Източник на механични вълни
Първоначалното смущение води до появата на вълна в средата. Причинява се от действието на някакво чуждо тяло, което във физиката се нарича източник на вълната. Това може да бъде ръката на човек, който замахва с въже, или камъче, хвърлено във водата. В случай, че действието на източника е краткотрайно, в средата често се появява самотна вълна. Когато „смущаващият” прави дълги осцилаторни движения, вълните започват да се появяват една след друга.
Условия за възникване на механични вълни
Този вид трептене не винаги се формира. Необходимо условие за появата им е появата в момента на смущение на средата на сили, възпрепятстващи я, по-специално еластичността. Те са склонни да сближават съседните частици, когато се раздалечават, и да ги отдалечават една от друга, когато се приближават. Еластични сили, действащи на отдалечени отизточник на смущения на частиците, започват да ги извеждат от равновесие. С течение на времето всички частици на средата участват в едно осцилаторно движение. Разпространението на такива трептения е вълната.
Механични вълни в еластична среда
В една еластична вълна има 2 вида движение едновременно: трептения на частиците и разпространение на смущения. Надлъжната вълна е механична вълна, чиито частици трептят по посоката на нейното разпространение. Напречната вълна е вълна, чиито средни частици осцилират в посоката на нейното разпространение.
Свойства на механичните вълни
Смущенията в надлъжна вълна са разреждане и компресия, а при напречна вълна са измествания (измествания) на едни слоеве на средата спрямо други. Деформацията на натиск е придружена от поява на еластични сили. В този случай деформацията на срязване е свързана с появата на еластични сили изключително в твърди тела. В газообразни и течни среди изместването на слоевете на тези среди не е придружено от появата на споменатата сила. Поради своите свойства, надлъжните вълни могат да се разпространяват във всяка среда, докато напречните вълни могат да се разпространяват само в твърди тела.
Характеристики на вълните на повърхността на течности
Вълните на повърхността на течност не са нито надлъжни, нито напречни. Те имат по-сложен, така нареченият надлъжно-напречен характер. В този случай частиците на течността се движат в кръг или по продълговати елипси. Кръговите движения на частиците по повърхността на течност, и особено при големи трептения, са придружени от тяхното бавно, но непрекъснатодвижещи се в посока на разпространение на вълната. Именно тези свойства на механичните вълни във водата причиняват появата на различни морски дарове на брега.
Честота на механичната вълна
Ако в еластична среда (течна, твърда, газообразна) вибрацията на нейните частици е възбудена, то поради взаимодействието между тях тя ще се разпространява със скорост u. Така че, ако осцилиращото тяло е в газообразна или течна среда, тогава движението му ще започне да се предава на всички частици, съседни на него. Те ще включат следващите в процеса и т.н. В този случай абсолютно всички точки на средата ще започнат да осцилират със същата честота, равна на честотата на осцилиращото тяло. Това е честотата на вълната. С други думи, тази стойност може да се характеризира като честота на трептене на точките в средата, където вълната се разпространява.
Може да не е ясно веднага как се случва този процес. Механичните вълни са свързани с преноса на енергията на осцилаторното движение от източника към периферията на средата. В резултат на това възникват така наречените периодични деформации, които се пренасят от вълната от една точка в друга. В този случай самите частици на средата не се движат заедно с вълната. Те осцилират близо до тяхното равновесно положение. Ето защо разпространението на механична вълна не е придружено от пренасяне на материя от едно място на друго. Механичните вълни имат различни честоти. Поради това те бяха разделени на диапазони и създадоха специална скала. Честотата се измерва в херци (Hz).
Основни формули
Механичните вълни, чиито формули за изчисление са доста прости, са интересен обект за изследване. Скоростта на вълната (υ) е скоростта на нейното предно движение (местоположението на всички точки, до които е достигнало колебанието на средата в момента):
υ=√G/ ρ, където ρ е плътността на средата, G е модулът на еластичност.
При изчисляване не бъркайте скоростта на механична вълна в среда със скоростта на движение на частиците от средата, които участват във вълновия процес. Така например звукова вълна във въздуха се разпространява със средна вибрационна скорост на нейните молекули от 10 m/s, докато скоростта на звукова вълна при нормални условия е 330 m/s.
Вълновият фронт се предлага в много форми, най-простите от които са:
• Сферичен - причинен от колебания в газообразна или течна среда. В този случай амплитудата на вълната намалява с разстоянието от източника обратно пропорционално на квадрата на разстоянието.
• Плоска - е равнина, която е перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната. Това се случва, например, в затворен бутален цилиндър, когато той осцилира. Плоската вълна се характеризира с почти постоянна амплитуда. Неговото леко намаляване с разстояние от източника на смущение е свързано със степента на вискозитет на газообразната или течната среда.
Дължина на вълната
Под дължина на вълната се разбира разстоянието, на което ще се движи нейният фронт за времето, през коеторавен на периода на трептене на частиците на средата:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, където T е периодът на трептене, υ е скоростта на вълната, ω е цикличната честота, ν е честотата на трептене на точките на средата.
Тъй като скоростта на разпространение на механична вълна е напълно зависима от свойствата на средата, нейната дължина λ се променя по време на прехода от една среда към друга. В този случай честотата на трептене ν винаги остава същата. Механичните и електромагнитните вълни са сходни по това, че когато се разпространяват, енергията се пренася, но без значение се пренася.
