Механічні хвилі: джерело, властивості, формули

Уявити, що таке механічні хвилі, можна, кинувши у воду камінь. Кола, що виникають на ній і є чергуються западинами і гребенями, - це приклад механічних хвиль. У чому їх сутність? Механічні хвилі - це процес поширення коливань у пружних середовищах.

Хвилі на поверхні води

Такі механічні хвилі існують завдяки впливу на частинки рідини сил міжмолекулярної взаємодії і тяжкості. Люди вже давно вивчають це явище. Найбільш примітними є океанські і морські хвилі. У міру збільшення швидкості вітру вони змінюються, а їх висота зростає. Також ускладнюється і форма самих хвиль. В океані вони можуть досягати страхітливих масштабів. Одним з найбільш наочних прикладів сили є цунамі, що змітають все на своєму шляху.

Енергія морських і океанських хвиль

Досягаючи берега, морські хвилі при різкій зміні глибини зростають. Вони іноді досягають висоти в кілька метрів. У такі моменти кінетична енергія колосальної маси води передається береговим перешкодам, які під її впливом швидко руйнуються. Сила прибою іноді досягає грандіозних значень.

Пружні хвилі

У механіці вивчають не тільки коливання на поверхні рідини, а й так звані пружні хвилі. Це обурення, які поширюються в різних середовищах під дією в них сил пружності. Таке обурення являє собою будь-яке відхилення частинок даного середовища від положення рівноваги. Наочним прикладом пружних хвиль є довга мотузка або гумова трубка, прикріплена одним з кінців до чого-небудь. Якщо її туго натягнути, а потім боковим різким рухом створити на другому (незакріпленому) її кінці обурення, то можна побачити, як воно по всій довжині мотузки «пробіжить» до опори і відіб`ється назад.

Джерело механічних хвиль

Початкову обурення призводить до виникнення в середовищі хвилі. Воно викликається дією якогось стороннього тіла, яке у фізиці називається джерелом хвилі. Ним може бути рука людини, гойднувшись мотузку, або камінчик, кинутий у воду. У тому випадку, коли дія джерела має короткочасний характер, в середовищі часто виникає одиночна хвиля. Коли ж «порушник» здійснює тривалі коливальні рухи, хвилі починають виникати одна за одною.

Умови виникнення механічних хвиль

Такого роду коливання утворюються не завжди. Необхідною умовою для їх появи є виникнення в момент обурення середовища перешкоджають йому сил, зокрема, пружності. Вони прагнуть зблизити сусідні частинки, коли вони розходяться, і відштовхнути їх один від одного в момент зближення. Сили пружності, діючи на віддалені від джерела обурення частинки, починають виводити їх з рівноваги. З часом все частинки середовища залучаються в одне коливальний рух. Поширення таких коливань і є хвилею.

Механічні хвилі в пружному середовищі

У пружною хвилі існують 2 види руху одночасно: коливання частинок і поширення обурення. Поздовжньої називається механічна хвиля, частинки якої коливаються вздовж напрямку її поширення. Поперечної називається хвиля, частинки середовища якої коливаються поперек напрямку її поширення.

Властивості механічних хвиль

Збурення в поздовжньої хвилі являють собою розрідження і стиску, а в поперечної - зрушення (зсуву) одних верств середовища по відношенню до інших. Деформація стиснення супроводжується появою сил пружності. При цьому деформація зсуву пов`язана з появою сил пружності виключно в твердих тілах. В газоподібних і рідких середовищах зрушення шарів цих середовищ не супроводжується виникненням згаданої сили. Завдяки своїм властивостям поздовжні хвилі здатні поширюватися в будь-яких середовищах, а поперечні - виключно у твердих.

Особливості хвиль на поверхні рідин

Хвилі на поверхні рідини не поздовжні і не поперечні. Вони мають більш складний, так званий поздовжньо-поперечний характер. У цьому випадку частинки рідини рухаються по колу або по витягнутих еліпсах. Кругові рухи частинок на поверхні рідини, і особливо при великих коливаннях, супроводжуються їх повільним, але безперервним переміщенням по напрямку поширення хвилі. Саме ці властивості механічних хвиль у воді зумовлюють появу на березі різних дарів моря.

Частота механічних хвиль

Якщо в пружною середовищі (рідкої, твердої, газоподібної) порушити коливання її часток, то внаслідок взаємодії між ними воно буде поширюватися зі швидкістю u. Так, якщо в газоподібному або рідкому середовищі знаходитиметься нестійке тіло, то його рух почне передаватися всім прилеглим до нього частинкам. Вони будуть залучати до процесу наступні і так далі. При цьому абсолютно всі точки середовища стануть здійснювати коливання однакової частоти, рівної частоті коливається тіла. Вона і є частотою хвилі. Іншими словами, цю величину можна охарактеризувати як частоту коливань точок в середовищі, де поширюється хвиля.

Відразу може бути незрозуміло, яким чином відбувається цей процес. З механічними хвилями пов`язують перенесення енергії коливального руху від його джерела до периферії середовища. В ході чого виникають так звані періодичні деформації, що переносяться хвилею з однієї точки в іншу. При цьому самі частинки середовища разом з хвилею не переміщаються. Вони коливаються поруч зі своїм становищем рівноваги. Саме тому поширення механічної хвилі не супроводжується перенесенням речовини з одного місця в інше. У механічних хвиль різна частота. Тому їх поділили на діапазони і створили спеціальну шкалу. Частота вимірюється в герцах (Гц).

Основні формули

Механічні хвилі, формули обчислення яких досить прості, є цікавим об`єктом для вивчення. Швидкість хвилі (upsilon-) - це швидкість переміщення її фронту (геометричне місце всіх точок, до яких дійшло коливання середовища в даний момент):

upsilon- = radic-G / rho-,

де rho- - щільність середовища, G - модуль пружності.

При розрахунку не варто плутати швидкість механічної хвилі в середовищі зі швидкістю руху частинок середовища, які залучені до хвильовий процес. Так, наприклад, звукова хвиля в повітрі поширюється з середньою швидкістю коливання його молекул в 10 м / с, в той час як швидкість звукової хвилі в нормальних умовах становить 330 м / с.

Хвильовий фронт буває різних видів, найпростішими з яких є:

• Сферичний - викликається коливаннями в газоподібному або рідкому середовищі. Амплітуда хвилі при цьому убуває при видаленні від джерела обернено пропорційно квадрату відстані.

• Плоский - являє собою площину, яка перпендикулярна напрямку поширення хвилі. Він виникає, наприклад, у закритому поршневому циліндрі, коли той здійснює коливальні рухи. Плоска хвиля характеризується практично незмінною амплітудою. Її незначне зменшення при видаленні від джерела обурення пов`язано зі ступенем в`язкості газоподібної або рідкого середовища.

Довжина хвилі

Під довжиною хвилі розуміють відстань, на яку буде переміщений її фронт за час, який дорівнює періоду коливання частинок середовища:

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

де Т - період коливання, upsilon- - швидкість хвилі, omega- - циклічна частота, nu- - частота коливання точок середовища.

Оскільки швидкість поширення механічної хвилі знаходиться в повній залежності від властивостей середовища, то її довжина lambda- під час переходу з одного середовища в іншу змінюється. При цьому частота коливання nu- завжди залишається колишньою. Механічні та електромагнітні хвилі схожі тим, що при їх поширенні здійснюється передача енергії, але не відбувається перенесення речовини.