Możesz sobie wyobrazić, czym są fale mechaniczne, wrzucając kamień do wody. Pojawiające się na niej kręgi, będące naprzemiennymi korytami i grzbietami, są przykładem fal mechanicznych. Jaka jest ich istota? Fale mechaniczne to proces propagacji drgań w ośrodkach sprężystych.
Fale na płynnych powierzchniach
Takie fale mechaniczne istnieją dzięki wpływowi sił międzycząsteczkowych i grawitacji na cząsteczki cieczy. Ludzie od dawna badają to zjawisko. Najbardziej godne uwagi są fale oceanu i morza. Wraz ze wzrostem prędkości wiatru zmieniają się, a ich wysokość rośnie. Sam kształt fal również się komplikuje. W oceanie mogą osiągnąć przerażające rozmiary. Jednym z najwyraźniejszych przykładów siły jest tsunami, które zmiata wszystko na swojej drodze.
Energia fal morskich i oceanicznych
Po dotarciu do brzegu fale morskie nasilają się wraz z gwałtowną zmianą głębokości. Czasami osiągają wysokość kilku metrów. W takich momentach energia kinetyczna kolosalnej masy wody jest przenoszona na przeszkody przybrzeżne, które pod jej wpływem szybko ulegają zniszczeniu. Siła fal czasami osiąga imponujące wartości.
Fale elastyczne
W mechanice badane są nie tylko drgania na powierzchni cieczy, ale także tak zwane fale sprężyste. Są to zaburzenia, które propagują się w różnych ośrodkach pod działaniem zawartych w nich sił sprężystych. Takim zaburzeniem jest dowolne odchylenie cząstek danego ośrodka od położenia równowagi. Dobrym przykładem fal elastycznych jest długa lina lub gumowa rurka przymocowana do czegoś na jednym końcu. Jeśli naciągniesz ją mocno, a następnie ostrym ruchem w bok wywołasz zakłócenie na jej drugim (nieumocowanym) końcu, zobaczysz, jak „biegnie” wzdłuż całej długości liny do podpory i odbija się z powrotem.
Źródło fal mechanicznych
Początkowe zaburzenia prowadzą do pojawienia się fali w ośrodku. Jest to spowodowane działaniem jakiegoś ciała obcego, które w fizyce nazywane jest źródłem fali. Może to być ręka osoby wymachującej liną lub kamyk wrzucony do wody. W przypadku, gdy działanie źródła jest krótkotrwałe, w ośrodku często pojawia się samotna fala. Kiedy „zakłócacz” wykonuje długie ruchy oscylacyjne, fale zaczynają pojawiać się jedna po drugiej.
Warunki występowania fal mechanicznych
Ten rodzaj oscylacji nie zawsze jest tworzony. Warunkiem koniecznym ich pojawienia się jest wystąpienie w momencie zaburzenia ośrodka sił mu uniemożliwiających, w szczególności sprężystości. Mają tendencję do zbliżania sąsiednich cząstek do siebie, gdy się od siebie oddalają, i odpychania ich od siebie, gdy się do siebie zbliżają. Siły sprężyste działające na odległość odźródło zakłóceń cząstek, zacznij je wytrącać z równowagi. Z biegiem czasu wszystkie cząstki ośrodka biorą udział w jednym ruchu oscylacyjnym. Propagacja takich oscylacji to fala.
Fale mechaniczne w elastycznym ośrodku
W fali sprężystej występują jednocześnie 2 rodzaje ruchu: oscylacje cząstek i propagacja zaburzeń. Fala podłużna to fala mechaniczna, której cząstki oscylują wzdłuż kierunku jej propagacji. Fala poprzeczna to fala, której cząstki ośrodka oscylują w poprzek kierunku jej propagacji.
Właściwości fal mechanicznych
Zaburzenia w fali podłużnej to rozrzedzenie i kompresja, aw fali poprzecznej są to przesunięcia (przemieszczenia) niektórych warstw ośrodka względem innych. Odkształceniu ściskanemu towarzyszy pojawienie się sił sprężystych. W tym przypadku odkształcenie ścinające wiąże się z pojawieniem się sił sprężystych wyłącznie w ciałach stałych. W mediach gazowych i ciekłych przesunięciu warstw tych mediów nie towarzyszy pojawienie się wspomnianej siły. Ze względu na swoje właściwości fale podłużne mogą rozchodzić się w dowolnych ośrodkach, natomiast fale poprzeczne mogą rozchodzić się tylko w ciałach stałych.
Cechy fal na powierzchni cieczy
Fale na powierzchni cieczy nie są ani podłużne, ani poprzeczne. Mają bardziej złożony, tzw. charakter podłużno-poprzeczny. W tym przypadku cząsteczki płynu poruszają się po okręgu lub wzdłuż wydłużonych elips. Ruchom kołowym cząstek na powierzchni cieczy, a zwłaszcza przy dużych drganiach, towarzyszą ich powolne, ale ciągłeporuszający się w kierunku propagacji fali. To właśnie te właściwości mechanicznych fal w wodzie powodują pojawianie się na brzegu różnych owoców morza.
Mechaniczna częstotliwość fali
Jeżeli w ośrodku sprężystym (ciecz, ciało stałe, gaz) wzbudzone zostaną drgania jego cząstek, to dzięki wzajemnemu oddziaływaniu między nimi będą się one rozchodzić z prędkością u. Tak więc, jeśli oscylujące ciało znajduje się w ośrodku gazowym lub ciekłym, jego ruch zacznie być przenoszony na wszystkie sąsiadujące z nim cząstki. Zaangażują w ten proces kolejne osoby i tak dalej. W takim przypadku absolutnie wszystkie punkty ośrodka zaczną oscylować z tą samą częstotliwością, równą częstotliwości ciała oscylacyjnego. To jest częstotliwość fali. Innymi słowy, wartość tę można scharakteryzować jako częstotliwość oscylacji punktów w ośrodku, w którym propaguje się fala.
Może nie być od razu jasne, jak przebiega ten proces. Fale mechaniczne związane są z przekazywaniem energii ruchu oscylacyjnego od jego źródła na obrzeże ośrodka. W efekcie powstają tzw. deformacje okresowe, które są przenoszone przez falę z jednego punktu do drugiego. W tym przypadku same cząstki ośrodka nie poruszają się wraz z falą. Oscylują w pobliżu swojej pozycji równowagi. Dlatego propagacji fali mechanicznej nie towarzyszy przenoszenie materii z jednego miejsca w drugie. Fale mechaniczne mają różne częstotliwości. Dlatego podzielono je na zakresy i stworzono specjalną skalę. Częstotliwość jest mierzona w hercach (Hz).
Podstawowe formuły
Fale mechaniczne, których formuły obliczeniowe są dość proste, są interesującym obiektem do badań. Prędkość fali (υ) to prędkość jej ruchu do przodu (miejsce położenia wszystkich punktów, do których w danej chwili dotarła oscylacja ośrodka):
υ=√G/ ρ, gdzie ρ jest gęstością ośrodka, G jest modułem sprężystości.
Podczas obliczeń nie należy mylić prędkości fali mechanicznej w ośrodku z prędkością ruchu cząstek ośrodka biorących udział w procesie falowym. Na przykład fala dźwiękowa w powietrzu rozchodzi się ze średnią prędkością drgań jej cząsteczek 10 m/s, podczas gdy prędkość fali dźwiękowej w normalnych warunkach wynosi 330 m/s.
Front fali występuje w wielu formach, z których najprostsze to:
• Kulisty - spowodowany fluktuacjami medium gazowego lub ciekłego. W tym przypadku amplituda fali maleje wraz z odległością od źródła odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości.
• Płaski - to płaszczyzna prostopadła do kierunku propagacji fali. Występuje na przykład w zamkniętym cylindrze tłoka, gdy oscyluje. Fala płaska charakteryzuje się prawie stałą amplitudą. Jego nieznaczny spadek wraz z odległością od źródła zakłócenia związany jest ze stopniem lepkości ośrodka gazowego lub ciekłego.
Długość fali
Pod długością fali rozumie się odległość, na jaką przesunie się jego przód w czasie, w którymrówna się okresowi oscylacji cząstek ośrodka:
λ=υT=υ/v=2πυ/ω, gdzie T to okres oscylacji, υ to prędkość fali, ω to częstotliwość cykliczna, ν to częstotliwość oscylacji punktów środkowych.
Ponieważ prędkość propagacji fali mechanicznej jest całkowicie zależna od właściwości ośrodka, jej długość λ zmienia się podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego. W takim przypadku częstotliwość drgań ν pozostaje zawsze taka sama. Fale mechaniczne i elektromagnetyczne są podobne pod tym względem, że gdy się propagują, energia jest przenoszona, ale nie jest przenoszona materia.
