Elképzelheti, milyen mechanikai hullámok keletkeznek, ha egy követ a vízbe dobnak. A rajta megjelenő körök, amelyek váltakozó vályúk és gerincek, a mechanikai hullámok példái. Mi a lényegük? A mechanikai hullámok a rezgés terjedésének folyamata rugalmas közegben.
Hullámok a folyékony felületeken
Az ilyen mechanikai hullámok az intermolekuláris erők és a gravitáció folyadékrészecskékre gyakorolt hatása miatt léteznek. Az emberek régóta tanulmányozzák ezt a jelenséget. A legfigyelemreméltóbbak az óceán és a tenger hullámai. A szél sebességének növekedésével változnak, és nő a magasságuk. Maguk a hullámok alakja is bonyolultabbá válik. Az óceánban ijesztő méreteket ölthetnek. Az erő egyik legtisztább példája a cunami, amely mindent elsöpör, ami az útjába kerül.
A tenger és az óceán hullámainak energiája
A part elérésekor a tenger hullámai meredek mélységváltozással fokozódnak. Néha elérik a több méteres magasságot is. Ilyen pillanatokban egy kolosszális víztömeg mozgási energiája átkerül a part menti akadályokra, amelyek hatása alatt gyorsan elpusztulnak. A szörfözés ereje néha eléri a grandiózus értékeket.
Elasztikus hullámok
A mechanikában nem csak a folyadék felületén jelentkező rezgéseket vizsgálják, hanem az úgynevezett rugalmas hullámokat is. Ezek olyan perturbációk, amelyek különböző közegekben terjednek a bennük lévő rugalmas erők hatására. Ilyen perturbáció egy adott közeg részecskéinek bármilyen eltérése az egyensúlyi helyzettől. A rugalmas hullámok jó példája az egyik végén valamihez rögzített hosszú kötél vagy gumicső. Ha szorosan meghúzza, majd a második (rögzítetlen) végén egy oldalirányú éles mozdulattal zavart okoz, láthatja, hogyan „fut” a kötél teljes hosszában a támasztékig, és visszaverődik.
Mechanikai hullámok forrása
A kezdeti perturbáció egy hullám megjelenéséhez vezet a közegben. Valamilyen idegen test hatása okozza, amelyet a fizikában a hullám forrásának neveznek. Ez lehet egy kötelet lengető ember keze, vagy egy vízbe dobott kavics. Abban az esetben, ha a forrás hatása rövid ideig tart, gyakran magányos hullám jelenik meg a közegben. Amikor a „zavaró” hosszú oszcilláló mozgásokat végez, a hullámok egymás után kezdenek megjelenni.
A mechanikai hullámok előfordulásának feltételei
Ez a fajta oszcilláció nem mindig jön létre. Megjelenésük szükséges feltétele, hogy a közeg zavarásának pillanatában olyan erők jelenjenek meg, amelyek megakadályozzák, különösen a rugalmasság. Hajlamosak egymáshoz közelebb hozni a szomszédos részecskéket, amikor eltávolodnak egymástól, és eltolják őket egymástól, amikor közelednek egymáshoz. Távolról ható rugalmas erőka részecske zavarásának forrása, elkezdik kihozni őket az egyensúlyból. Idővel a közeg összes részecskéje egyetlen rezgőmozgásban vesz részt. Az ilyen rezgések terjedése a hullám.
Mechanikai hullámok rugalmas közegben
Egy rugalmas hullámban kétféle mozgás létezik egyszerre: a részecskerezgés és a perturbáció terjedése. A longitudinális hullám olyan mechanikai hullám, amelynek részecskéi a terjedési iránya mentén oszcillálnak. A keresztirányú hullám olyan hullám, amelynek közepes részecskéi a terjedésének irányában oszcillálnak.
A mechanikai hullámok tulajdonságai
A hosszanti hullámban a zavarok ritkulás és összenyomás, a keresztirányú hullámban pedig a közeg egyes rétegeinek eltolódásai (elmozdulásai) a többihez képest. A kompressziós deformációt rugalmas erők megjelenése kíséri. Ebben az esetben a nyírási deformáció a rugalmas erők megjelenésével jár, kizárólag szilárd anyagokban. Gáznemű és folyékony közegekben ezen közegek rétegeinek eltolódása nem jár együtt az említett erő megjelenésével. Tulajdonságaikból adódóan a longitudinális hullámok bármilyen közegben, míg a keresztirányú hullámok csak szilárd testekben terjedhetnek.
A hullámok jellemzői a folyadékok felszínén
A folyadék felszínén a hullámok nem hosszirányúak és nem keresztirányúak. Bonyolultabb, úgynevezett longitudinális-keresztirányú jellegük van. Ebben az esetben a folyadékrészecskék körben vagy megnyúlt ellipszisek mentén mozognak. A részecskék körkörös mozgását a folyadék felszínén, különösen nagy oszcillációk során lassú, de folyamatos mozgásuk kíséri.a hullámterjedés irányába haladva. A víz mechanikai hullámainak ezek a tulajdonságai okozzák a különféle tenger gyümölcseinek megjelenését a parton.
Mechanikai hullámfrekvencia
Ha egy rugalmas közegben (folyékony, szilárd, gáznemű) részecskéinek rezgését gerjesztjük, akkor a köztük lévő kölcsönhatás miatt u sebességgel fog terjedni. Tehát, ha egy oszcilláló test gáznemű vagy folyékony közegben van, akkor mozgása átadódik a vele szomszédos összes részecske számára. Bevonják a következőket a folyamatba és így tovább. Ebben az esetben a közeg abszolút minden pontja ugyanolyan frekvenciával kezd rezegni, ami megegyezik az oszcilláló test frekvenciájával. Ez a hullám frekvenciája. Más szavakkal, ez az érték a közeg azon pontjainak rezgési frekvenciájaként jellemezhető, ahol a hullám terjed.
Lehet, hogy nem azonnal világos, hogyan megy végbe ez a folyamat. A mechanikai hullámok az oszcilláló mozgás energiájának forrásától a közeg perifériájára történő átviteléhez kapcsolódnak. Ennek eredményeként úgynevezett periodikus deformációk keletkeznek, amelyeket a hullám egyik pontból a másikba visz. Ebben az esetben maguk a közeg részecskéi nem mozognak együtt a hullámmal. Egyensúlyi helyzetük közelében oszcillálnak. Éppen ezért a mechanikai hullám terjedését nem kíséri az anyag egyik helyről a másikra való átjutása. A mechanikai hullámok különböző frekvenciájúak. Ezért tartományokra osztották őket, és speciális skálát hoztak létre. A frekvencia mérése hertzben (Hz).
Alapképletek
A mechanikai hullámok, amelyek számítási képlete meglehetősen egyszerű, érdekes tanulmányozási tárgy. A hullámsebesség (υ) az elülső mozgásának sebessége (minden olyan pont helye, ahová a közeg rezgése pillanatnyilag elért):
υ=√G/ρ, ahol ρ a közeg sűrűsége, G a rugalmassági modulusa.
A számítás során ne keverje össze a közegben lévő mechanikai hullám sebességét a közegben lévő részecskék mozgási sebességével, amelyek részt vesznek a hullámfolyamatban. Tehát például egy hanghullám a levegőben molekuláinak átlagos rezgési sebességével 10 m/s, míg a hanghullám sebessége normál körülmények között 330 m/s.
A hullámfront számos formában létezik, amelyek közül a legegyszerűbbek:
• Gömb alakú – gáznemű vagy folyékony közeg ingadozása okozza. Ebben az esetben a hullám amplitúdója a forrástól való távolsággal a távolság négyzetével fordított arányban csökken.
• Lapos – egy sík, amely merőleges a hullámterjedés irányára. Előfordul például egy zárt dugattyús hengerben, amikor rezeg. A síkhullámot szinte állandó amplitúdó jellemzi. Enyhe csökkenése a zavarforrástól való távolság függvényében a gáznemű vagy folyékony közeg viszkozitásának mértékével függ össze.
Hullámhossz
A hullámhossz alatt azt a távolságot értjük, ameddig a frontja el fog mozogni az idő alattegyenlő a közeg részecskéinek rezgési periódusával:
λ=υT=υ/v=2πυ/ω, ahol T az oszcillációs periódus, υ a hullámsebesség, ω a ciklikus frekvencia, ν a középpontok rezgési frekvenciája.
Mivel a mechanikai hullám terjedési sebessége teljes mértékben függ a közeg tulajdonságaitól, hossza λ változik az egyik közegből a másikba való átmenet során. Ebben az esetben a ν rezgési frekvencia mindig ugyanaz marad. A mechanikai és elektromágneses hullámok abban hasonlítanak egymásra, hogy amikor terjednek, az energia átadódik, de az anyag nem.
