ПОЗДОВЖНІ ХВИЛІ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВІДМІННОСТІ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Ці поздовжні хвилі виявляються в матеріальних засобів , в яких частинки коливаються паралельно напрямку хвиля переміщається. як видно з наступних зображень. Це його відмітна риса.

Звукові хвилі, певні хвилі, що виникають під час землетрусу, і ті, що виробляються в слизькій або пружинній, коли йому подають невеликий імпульс у тому ж напрямку своєї осі, є хорошими прикладами цього класу хвиль.

Малюнок 1. Звук - це поздовжня хвиля, яка виробляє послідовні стискання та розширення у повітрі. Джерело: Wikimedia Commons. Плюке

Звук видається, коли предмет (наприклад, камертон, музичний інструмент або просто голосові зв'язки) створюється, щоб вібрувати в середовищі, здатній передавати порушення через вібрацію його молекул. Повітря є придатним середовищем, але також рідини та тверді речовини є.

Порушення багаторазово модифікує тиск і щільність середовища. Таким чином хвиля виробляє стискання та розширення (розрідження) в молекулах середовища, коли енергія рухається з певною швидкістю v .

Ці зміни тиску сприймаються вухом через вібрації в барабанній перетині, які нервова мережа відповідає за перетворення в крихітні електричні струми. Дійшовши до мозку, він інтерпретує їх як звуки.

У поздовжній хвилі візерунок, який постійно повторюється, називається циклом, а його тривалість - періодом хвилі. Існує також амплітуда, яка є максимальною інтенсивністю і яка вимірюється відповідно до величини, яка береться за еталон, у випадку звуку це може бути зміна тиску в середовищі.

Ще одним важливим параметром є довжина хвилі: відстань між двома послідовними стисканнями або розширеннями, див. Рисунок 1. У Міжнародній системі довжина хвилі вимірюється в метрах. Нарешті, є її швидкість (у метрах / секунду для Міжнародної системи), яка вказує на те, як швидко поширюється енергія.

Як у океанських хвилях з’являються поздовжні хвилі?

У водному тілі хвилі виробляються множинними причинами (зміни тиску, вітри, гравітаційна взаємодія з іншими зірками). Таким чином морські хвилі можна класифікувати на:

- Вітрові хвилі

- Припливи

- Цунамі

Опис цих хвиль досить складний. Як правило, у глибоких водах хвилі рухаються поздовжньо, створюючи періодичні стискання та розширення середовища, як описано на початку.

Однак на поверхні моря речі дещо відрізняються, оскільки переважають так звані поверхневі хвилі, які поєднують характеристики поздовжніх та поперечних хвиль. Тому хвилі, що рухаються в глибинах водного середовища, сильно відрізняються від тих, що рухаються по поверхні.

Колода, що плаває на морській поверхні, має своєрідний зворотно-поступальний або м'яко обертовий рух. Дійсно, коли хвилі розриваються на березі, то переважають поздовжні компоненти хвилі, і коли журнал реагує на рух молекул води, які його оточують, він також спостерігається, що йде і йде на поверхню.

Малюнок 2. Морські хвилі на поверхні - це хвилі, які частково мають поздовжні хвильові характеристики та частково поперечні. Джерело: Джерело: Vargklo на en.wikipedia

Зв'язок між глибиною та довжиною хвилі

Факторами, що визначають тип хвилі, яка виробляється, є: глибина води та довжина хвилі морської хвилі. Якщо глибина води в заданій точці називається d, а довжина хвилі - λ, хвилі переходять від поздовжньої до поверхневої, коли:

На поверхні молекули води набувають обертальних рухів, які вони втрачають у міру збільшення глибини. Тертя водної маси про дно призводить до того, що ці орбіти стають еліптичними, як показано на малюнку 2.

На пляжах води біля берега більш неспокійні, оскільки там хвилі ламаються, частинки води сповільнюються на дні, і це призводить до накопичення більше води на хребтах. У глибших водах, з іншого боку, сприймається, як хвилі пом'якшуються.

Коли d >> λ / 2 у нас є глибоководні хвилі або короткі хвилі, кругові або еліптичні орбіти зменшуються в розмірах, а поздовжні хвилі переважають. І якщо d << λ / 2 хвилі - від поверхневих вод чи довгих хвиль.

Відмінності від зсувних хвиль

І поздовжні, і поперечні хвилі відносяться до категорії механічних хвиль, які потребують матеріального середовища для їх поширення.

Основна відмінність між цими двома згадана на початку: у поперечних хвилях частинки середовища рухаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі, тоді як у поздовжніх хвилях вони коливаються в тому ж напрямку з подальшим порушенням. Але є і більш відмітні риси:

Більше відмінностей між поперечними та поздовжніми хвилями

- У поперечній хвилі розрізняють гребені та долини, які в поздовжніх еквівалентні стисканням і розширенням.

- Ще одна відмінність полягає в тому, що поздовжні хвилі не поляризовані, оскільки напрямок швидкості хвилі такий же, як у руху коливальних частинок.

- Поперечні хвилі можуть поширюватися в будь-якому середовищі і навіть у вакуумі, наприклад електромагнітних хвилях. З іншого боку, всередині рідин, позбавлених жорсткості, у частинок немає іншого вибору, окрім як ковзати повз один одного і рухатися так, як це відбувається, тобто поздовжньо.

Як наслідок, хвилі, що виникли посеред океанічної та атмосферної маси, є поздовжніми, оскільки поперечні хвилі потребують середовища з достатньою жорсткістю, щоб дозволити характерні перпендикулярні рухи.

- Поздовжні хвилі викликають зміни тиску та щільності середовища, через яке вони поширюються. З іншого боку, поперечні хвилі не впливають на середовище таким чином.

Подібність між поздовжніми та поперечними хвилями

Вони мають однакові частини: період, амплітуда, частота, цикли, фаза та швидкість. Усі хвилі проходять відбиття, заломлення, дифракцію, інтерференцію та ефект Доплера і несуть енергію через середовище.

Незважаючи на те, що вершини та долини відрізняються поперечною хвилею, стиски в поздовжній хвилі аналогічні вершинам, а розширення долин таким чином, що обидві хвилі допускають однаковий математичний опис синусоїди або синусоїди.

Приклади поздовжніх хвиль

Звукові хвилі є найбільш типовими поздовжніми хвилями і є одними з найбільш вивчених, оскільки вони є основою спілкування та музичної виразності, причини їх важливості в житті людей. Крім того, звукові хвилі мають важливе застосування в медицині, як в діагностиці, так і в лікуванні.

Техніка ультразвуку добре відома для отримання медичних зображень, а також для лікування каменів у нирках, серед інших застосувань. Ультразвук генерується п'єзоелектричним кристалом, здатним створювати поздовжню хвилю тиску при подачі на нього електричного поля (він також видає струм, коли на нього подається тиск).

Щоб реально побачити, як виглядає поздовжня хвиля, нічого кращого, ніж котушки пружини або шлікери. Подаючи невеликий імпульс пружині, миттєво спостерігаємо, як компресії та розширення поширюються по черзі по ходах.

- сейсмічні хвилі

Поздовжні хвилі також є частиною сейсмічних рухів. Землетруси складаються з різних видів хвиль, серед яких Р або первинні хвилі та S або вторинні хвилі. Перші є поздовжніми, тоді як в другому частинки середовища вібрують у напрямку, поперечному до переміщення хвилі.

Під час землетрусів утворюються як поздовжні хвилі (первинні хвилі Р), так і поперечні хвилі (вторинні хвилі S) та інші типи, такі як поверхневі хвилі Релея та хвилі Любові.

Насправді поздовжні хвилі - єдині, про яких відомо, що подорожують центром Землі. Оскільки вони рухаються лише в рідких або газоподібних середовищах, вчені вважають, що ядро ​​Землі складається в основному з розплаву заліза.

- Вправа на застосування

P хвилі та S хвилі, що утворюються під час землетрусу, подорожують Землею з різною швидкістю, тому час їх прибуття на сейсмографічні станції різний (див. Рисунок 3). Завдяки цьому можна визначити відстань до епіцентру землетрусу шляхом тріангуляції, використовуючи дані трьох і більше станцій.

Малюнок 3. Сейсмічні хвилі P і S надходять на сейсмографи з різним часом, оскільки їх швидкості різні. Джерело: Wikimedia Commons.

Припустимо, що v _P = 8 км / с - швидкість хвиль Р, тоді як швидкість хвиль S - v _S = 5 км / с. Хвилі Р надходять за 2 хвилини до першої хвилі С. Як обчислити відстань від епіцентру?

Відповісти

Нехай D - відстань між епіцентром та сейсмологічною станцією. За наданими даними можна визначити час у дорозі t _P і t _S кожної хвилі:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Різниця Δt = t _S - t _P :

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

Розв’язування значення D:

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

Знаючи, що 2 хвилини = 120 секунд і замінюючи решта значень:

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

Список літератури

1. Різниця між поперечними та поздовжніми хвилями. Відновлено з: physicsabout.com.
2. Фігероа, Д. 2005. Хвилі та квантова фізика. Серія фізики для науки та техніки. Том 7. Під редакцією Дугласа Фігероа. Університет Саймона Болівара. 1-58.
3. Інфразвук та УЗД. Відновлено з: lpi.tel.uva.es
4. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон. 263-286.
5. Рассел, Д. Поздовжній і поперечний хвильовий рух. Отримано з: acs.psu.edu.
6. Водні хвилі. Отримано з: labman.phys.utk.edu.