ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТИПЫ И ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Поверхностные волны - это волны , в которых колеблющиеся частицы движутся в двух измерениях, например волны, возникающие при падении камня в пруд или озеро.

Этот тип волны возникает на границе между двумя различными средами, такими как океан и воздух, или между поверхностью Земли и воздухом. Это волны, в которых частицы испытывают поперечные смещения в сочетании с продольными, то есть двумерные.

Рисунок 1. Поверхностные волны в пруду. Источник: Pixabay.

Например, частицы воды на поверхности океана - волны - движутся по круговым траекториям. Когда волны разбиваются о берег, преобладают продольные смещения, и поэтому видно, что морские водоросли или плавающий кусок дерева плавно перемещаются спереди назад.

Волны также движутся по поверхности Земли аналогично океанским волнам. Они движутся с меньшей скоростью, чем волны, которые движутся внутри земного объема, но они способны вызывать резонанс в зданиях с большей легкостью.

Поскольку волны производят вибрации и переносят энергию, они оказывают разрушительное воздействие во время землетрясений.

Рисунок 2. Поверхностные волны в океане. Частицы воды движутся по часовой стрелке, когда волна движется слева направо. В самой высокой точке они находятся на гребне волны, а самая низкая точка называется каналом. Источник левой фигуры: Ф. Сапата. Источник рисунка справа: Джамбаттиста А. 2010. Физика. Второй. Издание. Макгроу Хилл.

Типы поверхностных волн

Волны любого типа, поверхностные или нет, являются решением волнового уравнения, которое применимо практически к любому типу волнового движения, не только механическому, как в описанных примерах, но и электромагнитным волнам, которые являются разные виды волн, поскольку они поперечные.

Волновое уравнение, которое получается с учетом второго закона Ньютона, записывается так:

В приведенном выше уравнении u - волновая функция, которая зависит от трех пространственных координат x, y и z плюс время t: u = u (x, y, z, t). Кроме того, v - скорость возмущения. Волновое уравнение может быть указано в других системах координат в зависимости от требуемой геометрии.

Чтобы найти решение уравнения, его адаптируют к условиям задачи, в которых, например, определяется геометрия и устанавливаются свойства среды, в которой движется возмущение.

Есть много типов поверхностных волн, таких как:

-Гравитационные волны (гравитационные волны), подобные океанским волнам, описанным в начале, в которых гравитация обеспечивает восстанавливающую силу, которая позволяет поперечное движение.

-Поверхностное набухание в пруду, вот поверхностное натяжение воды, которое действует как восстанавливающая сила.

-Поверхностные упругие волны, которые движутся по поверхности Земли во время землетрясения.

-Электромагнитные волны, которые, несмотря на то, что они поперечные, можно правильно направлять для движения по поверхности.

-Некоторые типы волн образуются в струнах гитары при сильном ударе по струнам.

Поверхностные упругие волны на поверхности земли

Рисунок 3. Поверхностная волна на поверхности земли. Движение частиц представляет собой комбинацию поперечных и продольных смещений. Источник: Джамбаттиста А. 2010. Физика. Второй. Издание. Макгроу Хилл.

При решении волнового уравнения решения, как мы уже сказали, соответствуют разным типам волн. Когда возмущение перемещается в твердой среде, такой как земная кора, можно сделать некоторые предположения, упрощающие этот процесс.

По этой причине среда считается идеально эластичной, однородной и изотропной, что означает, что ее свойства одинаковы независимо от положения или направления.

С учетом этого два решения волнового уравнения в упругой среде соответствуют поверхностным волнам:

- Волны Рэлея, названные в честь лорда Рэлея (1842-1919), британского физика, впервые описавшего их.

-Волны любви, написанные Августом Лавом, британским геофизиком и математиком (1863-1940), который разработал теорию этих волн в своих работах по упругости.

В сейсмике эти волны называются L-волнами, чтобы отличать их от P-волн и S-волн, которые считаются объемными волнами (объемными волнами), которые также являются решением волнового уравнения с условиями, описанными выше. P-волны продольные, а S-волны - поперечные.

Примеры поверхностных волн

Волны Рэлея

В волне Рэлея частицы волнового фронта колеблются в вертикальной плоскости, поэтому их называют вертикально поляризованными. Частицы движутся по эллипсу, в отличие от волн на поверхности океана, движение которых, как было сказано вначале, является круговым (хотя у берега они скорее эллиптические).

Большая ось эллипса вертикальна, а малая ось следует направлению распространения, как показано на рисунке. Там же отмечается, что движение ретроградное, то есть осуществляется против часовой стрелки.

Рисунок 4. Волна Рэлея. Источник: Lowrie, W. 2007. Основы геофизики. Второй. Издание. Издательство Кембриджского университета.

Еще одно важное отличие волн на воде состоит в том, что волны Рэлея могут распространяться только в твердых средах, так как существует поперечная сила, которой нет в жидкостях.

Амплитуда смещения частицы экспоненциально уменьшается с глубиной, так как волна удерживается на поверхности, хотя, если это землетрясение высокой интенсивности, волны могут несколько раз обогнуть Землю, прежде чем полностью исчезнуть. .

Волны любви

В волнах Лява частицы поляризованы по горизонтали и имеют большую амплитуду движения параллельно поверхности. Они движутся с немного меньшей скоростью, чем волны Рэлея, хотя скорость в этих типах волн зависит от длины волны (дисперсионная волна).

Для распространения этих волн должен быть слой с низкой скоростью, наложенный по крайней мере на один слой с высокой скоростью посередине. Подобно волнам Рэлея, волны Любви, возникающие во время землетрясения, могут несколько раз обогнуть Землю, прежде чем рассеять свою энергию.

Рисунок 5. Волны любви. Источник: Wikimedia Commons. Никогуаро

Земляной валок

Этот вариант волн Рэлея, называемый валом грунта, часто встречается в записях сейсморазведки. Это считается шумом, и его следует избегать, потому что из-за большой амплитуды он иногда маскирует отражения, которые вы хотите увидеть.

Океанские волны

На большой глубине океанские волны представляют собой продольные волны, подобные волнам звука. Это означает, что его направление распространения такое же, как и направление, в котором частицы колеблются.

Однако волна вблизи поверхности имеет как продольные, так и поперечные компоненты, заставляя частицы двигаться почти по круговой траектории (см. Рис. 2 справа).

Рисунок 6. Океанские волны - это поверхностные волны. Источник: Pixabay.

Ссылки

1. Фигероа, Д. 2005. Волны и квантовая физика. Серия «Физика для науки и техники». Под редакцией Д. Фигероа.
2. Джамбаттиста, А. 2010. Физика. Макгроу Хилл.
3. Лоури, В. 2007. Основы геофизики. Второй. Издание. Издательство Кембриджского университета.
4. Wikipedia. Волны любви. Получено с: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Волны Рэлея. Получено с: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Поверхностные волны. Получено с: en.wikipedia.org.