ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОТЛИЧИЯ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Эти продольные волны проявляются в материальных средств , в которых частицы колеблются параллельно направлению волна перемещается. как будет видно на следующих изображениях. В этом его отличительная черта.

Звуковые волны, определенные волны, которые возникают во время землетрясения, и те, которые возникают в обтяжке или пружине, когда ей дается небольшой импульс в том же направлении своей оси, являются хорошими примерами этого класса волн.

Рис. 1. Звук - это продольная волна, которая последовательно сжимает и расширяет воздух. Источник: Wikimedia Commons. Pluke

Звук возникает, когда объект (например, камертон фигуры, музыкальный инструмент или просто голосовые связки) заставляют вибрировать в среде, способной передавать возмущение посредством вибрации его молекул. Подходящей средой является воздух, а также жидкости и твердые вещества.

Возмущение многократно изменяет давление и плотность среды. Таким образом, волна вызывает сжатия и расширения (разрежения) в молекулах среды, поскольку энергия движется с определенной скоростью v .

Эти изменения давления воспринимаются ухом через колебания барабанной перепонки, которые нервная сеть отвечает за преобразование в крошечные электрические токи. Достигнув мозга, он интерпретирует их как звуки.

В продольной волне непрерывно повторяющийся узор называется циклом, а его продолжительность - периодом волны. Существует также амплитуда, которая представляет собой максимальную интенсивность и измеряется в соответствии с величиной, принятой за эталон; в случае звука это может быть изменение давления в среде.

Другим важным параметром является длина волны: расстояние между двумя последовательными сжатиями или расширениями, см. Рисунок 1. В Международной системе длина волны измеряется в метрах. Наконец, есть его скорость (в метрах в секунду для Международной системы), которая указывает, насколько быстро распространяется энергия.

Как в океанских волнах появляются продольные волны?

В водном теле волны возникают по нескольким причинам (изменение давления, ветер, гравитационное взаимодействие с другими звездами). Таким образом, морские волны можно разделить на:

- Ветровые волны

- Приливы

- цунами

Описание этих волн довольно сложное. В общих чертах, в глубоких водах волны движутся продольно, вызывая периодические сжатия и расширения среды, как описано в начале.

Однако на поверхности моря дела обстоят немного иначе, поскольку преобладают так называемые поверхностные волны, сочетающие в себе характеристики продольных волн и поперечных волн. Поэтому волны, движущиеся в глубине водной среды, сильно отличаются от волн, движущихся на поверхности.

Бревно, плавающее на поверхности моря, имеет возвратно-поступательное или плавно вращательное движение. Действительно, когда волны разбиваются о берег, преобладают продольные компоненты волны, и, поскольку бревно реагирует на движение молекул воды, которые его окружают, его также можно наблюдать, прибывая и уходя на поверхность.

Рис. 2. Морские волны на поверхности - это волны, которые частично имеют характеристики продольных волн, а частично - поперечные. Источник: Источник: Варгкло на en.wikipedia

Связь между глубиной и длиной волны

Факторами, определяющими тип создаваемой волны, являются: глубина воды и длина морской волны. Если глубина воды в данной точке называется d, а длина волны равна λ, волны переходят от продольных к поверхностным, когда:

На поверхности молекулы воды приобретают вращательные движения, которые они теряют с увеличением глубины. Трение водной массы о дно приводит к тому, что эти орбиты становятся эллиптическими, как показано на рисунке 2.

На пляжах вода у берега более беспокойная, потому что там волны разбиваются, частицы воды замедляются на дне, и это приводит к тому, что на гребнях скапливается больше воды. С другой стороны, в более глубоких водах видно, как волны смягчаются.

Когда d >> λ / 2, мы имеем глубоководные или короткие волны, круговые или эллиптические орбиты уменьшаются в размерах и преобладают продольные волны. А если d << λ / 2, то волны от поверхностных вод или от длинных волн.

Отличия от поперечных волн

И продольные, и поперечные волны относятся к категории механических волн, для распространения которых требуется материальная среда.

Основное различие между ними было упомянуто в начале: в поперечных волнах частицы среды движутся перпендикулярно направлению распространения волны, тогда как в продольных волнах они колеблются в том же направлении, за которым следует возмущение. Но есть еще отличительные черты:

Больше различий между поперечными и продольными волнами

- В поперечной волне различают гребни и впадины, которые в продольных эквивалентны сжатию и расширению.

- Еще одно отличие состоит в том, что продольные волны не поляризованы, потому что направление скорости волны такое же, как у колеблющихся частиц.

- Поперечные волны могут распространяться в любой среде и даже в вакууме, например, электромагнитные волны. С другой стороны, внутри жидкости, лишенной жесткости, частицы не имеют другого выбора, кроме как скользить мимо друг друга и двигаться, как это происходит с возмущением, то есть в продольном направлении.

Как следствие, волны, возникающие в середине океанических и атмосферных масс, являются продольными, поскольку для поперечных волн требуются среды с достаточной жесткостью, чтобы допускать характерные перпендикулярные движения.

- Продольные волны вызывают колебания давления и плотности среды, в которой они распространяются. С другой стороны, поперечные волны не влияют на среду таким образом.

Сходства между продольными и поперечными волнами

У них есть общие части: период, амплитуда, частота, циклы, фаза и скорость. Все волны претерпевают отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и эффект Доплера и переносят энергию через среду.

Несмотря на то, что пики и впадины характерны для поперечной волны, сжатия в продольной волне аналогичны пикам и расширениям до впадин таким образом, что обе волны допускают одно и то же математическое описание синусоидальной или синусоидальной волны.

Примеры продольных волн

Звуковые волны являются наиболее типичными продольными волнами и являются одними из наиболее изученных, так как они являются основой общения и музыкального выражения, причины их важности в жизни людей. Кроме того, звуковые волны имеют важное применение в медицине как для диагностики, так и для лечения.

Ультразвуковая техника хорошо известна для получения медицинских изображений, а также для лечения камней в почках, среди прочего. Ультразвук генерируется пьезоэлектрическим кристаллом, способным создавать продольную волну давления при приложении электрического поля (он также производит ток при приложении давления).

Чтобы действительно увидеть, как выглядит продольная волна, нет ничего лучше винтовых пружин или подвесок. Придав небольшой импульс пружине, можно сразу же наблюдать, как сжатие и расширение попеременно распространяются по виткам.

- Сейсмические волны

Продольные волны также являются частью сейсмических движений. Землетрясения состоят из различных видов волн, среди которых P или первичные волны и S или вторичные волны. Первые являются продольными, а во вторых частицы среды колеблются в направлении, поперечном смещению волны.

При землетрясениях на поверхности образуются как продольные волны (первичные P-волны), так и поперечные (вторичные S-волны), а также другие типы волн, такие как волны Рэлея и волны Лява.

Фактически, продольные волны - единственные известные, которые проходят через центр Земли. Поскольку они движутся только в жидких или газообразных средах, ученые считают, что ядро ​​Земли состоит в основном из расплавленного железа.

- Упражнение по применению

P-волны и S-волны, возникающие во время землетрясения, движутся по Земле с разными скоростями, поэтому время их прихода на сейсмографические станции разное (см. Рисунок 3). Благодаря этому можно определить расстояние до эпицентра землетрясения путем триангуляции, используя данные с трех и более станций.

Рис. 3. Сейсмические волны P и S приходят на сейсмографы с разным временем, так как их скорости различаются. Источник: Wikimedia Commons.

Предположим, что v _P = 8 км / с - это скорость P-волн, а скорость S-волн равна v _S = 5 км / с. Волны P приходят за 2 минуты до первых волн S. Как рассчитать расстояние от эпицентра?

Ответить

Пусть D - расстояние между эпицентром и сейсмологической станцией. Имея предоставленные данные, можно найти время пробега t _P и t _S каждой волны:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Разница составляет Δt = t _S - t _P :

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

Решение для значения D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (Δt. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

Зная, что 2 минуты = 120 секунд и подставляя остальные значения:

D = 120 с. (8 км / с. 5 км / с) / (8 - 5 км / с) = 1600 км.

Ссылки

1. Разница между поперечными и продольными волнами. Получено с: Physicsabout.com.
2. Фигероа, Д. 2005. Волны и квантовая физика. Серия «Физика для науки и техники». Том 7. Отредактировал Дуглас Фигероа. Университет Симона Боливара. 1-58.
3. Инфразвук и ультразвук. Получено с: lpi.tel.uva.es
4. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон. 263-286.
5. Рассел Д. Продольные и поперечные волновые движения. Получено с: acs.psu.edu.
6. Водные волны. Получено с: labman.phys.utk.edu.