ПОВЕРХНЕВІ ХВИЛІ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТИПИ ТА ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Поверхневі хвилі - це ті, у яких вібраційні частинки мають рух у двох вимірах, наприклад хвилі, що утворюються при падінні каменю у ставку чи озеро.

Цей тип хвиль виникає на межі між двома різними середовищами, такими як океан та повітря, або між поверхнею Землі та повітрям. Це хвилі, в яких частинки зазнають поперечні рухи, поєднані з поздовжніми, тобто двовимірними.

Малюнок 1. Поверхневі хвилі у ставку. Джерело: Pixabay.

Наприклад, частинки води на поверхні океану - хвилі - рухаються круговими стежками. Коли хвилі ламаються на березі, переважають поздовжні зміщення, і тому морські водорості або шматок дерева, що плаває, видно плавно пересуваючись спереду назад.

Хвилі також рухаються на поверхні Землі аналогічно океанським хвилям. Вони рухаються з меншою швидкістю, ніж хвилі, що рухаються внутрішньо через земний об'єм, але вони здатні викликати резонанс у будівлях легше.

Оскільки хвилі виробляють вібрації та несуть енергію, вони мають руйнівний вплив під час землетрусів.

Малюнок 2. Поверхневі хвилі в океані. Водні частинки рухаються за годинниковою стрілкою, коли рух хвилі зліва направо. У найвищій точці вони знаходяться на гребені хвилі, тоді як найнижчій точці називають канал. Джерело лівої фігури: Ф. Сапата. Правий джерело фігури: Джамбаттіста, А. 2010. Фізика. 2-й. Видання. McGraw Hill.

Типи поверхневих хвиль

Будь-який тип хвилі, поверхневий чи ні, є рішенням хвильового рівняння, яке стосується майже будь-якого типу хвильового руху, не тільки механічного, як в описаних прикладах, але і електромагнітних хвиль, які є різні види хвиль, оскільки вони поперечні.

Хвильове рівняння, отримане з урахуванням другого закону Ньютона, пишеться так:

У наведеному рівнянні u - хвильова функція, яка залежить від трьох просторових координат x, y та z плюс час t: u = u (x, y, z, t). Крім того, v - швидкість збудження. Рівняння хвилі може бути викладено в інших системах координат залежно від необхідної геометрії.

Щоб знайти рішення рівняння, його пристосовують до умов задачі, в яких, наприклад, розмежована геометрія та встановлені властивості середовища, через яке рухається збурення.

Існує багато типів поверхневих хвиль, таких як:

-Гравітаційні хвилі (гравітаційні хвилі), як океанські хвилі, описані на початку, в яких гравітація забезпечує відновлюючу силу, яка дозволяє поперечно рухатись.

-Поверхня набрякає у ставку, ось поверхневий натяг води, який спрацьовує як відновлююча сила.

-Поверхневі еластичні хвилі, які рухаються по поверхні Землі під час землетрусу.

-Електромагнітні хвилі, які, незважаючи на поперечну, можуть правильно керуватися для переміщення по поверхні.

-Деякі типи хвиль, які виробляються на струнах гітари, коли струни вдаряються силою.

Поверхневі пружні хвилі на земній поверхні

Малюнок 3. Поверхнева хвиля на земній поверхні. Рух частинок - це поєднання поперечних і поздовжніх переміщень. Джерело: Giambattista, A. 2010. Фізика. 2-й. Видання. McGraw Hill.

Розв’язуючи хвильове рівняння, рішення, як ми вже говорили, відповідають різним типам хвиль. Коли збурення рухається в твердій середовищі, такій як земна кора, можна зробити деякі припущення щодо цього, що спрощують процес.

З цієї причини середовище вважається ідеально еластичним, однорідним та ізотропним, що означає, що його властивості однакові незалежно від положення чи напрямку.

З огляду на це, два поверхневі рівняння хвилі в пружному середовищі відповідають поверхневим хвилям:

- Хвилі Релі, названі на честь лорда Релея (1842-1919), британського фізика, який першим описав їх.

-Waves of Love, Август Лав, британський геофізик і математик (1863-1940), який розробив теорію цих хвиль у своїх роботах про пружність.

У сейсмічній формі ці хвилі називаються L хвилями, щоб їх диференціювати від P хвиль і S хвиль, обидві вважаються об'ємними хвилями (хвилями тіла), які також є рішенням хвильового рівняння з умовами, описаними вище. P хвилі поздовжні, а S хвилі - поперечні.

Приклади поверхневих хвиль

Рейлеї хвилі

У хвилі Релея частинки хвилі фронту вібрують у вертикальній площині, тому, як кажуть, вони вертикально поляризовані. Частинки рухаються в еліпсі, на відміну від хвиль на поверхні океану, рух яких круговий, як було сказано на початку (хоча біля узбережжя вони досить еліптичні).

Основна вісь еліпса вертикальна, а другорядна вісь слідує напрямку поширення, як показано на малюнку. Там також зазначається, що рух є ретроградним, тобто здійснюється в напрямку проти годинникової стрілки.

Малюнок 4. Релеївська хвиля. Джерело: Lowrie, W. 2007. Основи геофізики. 2-й. Видання. Cambridge University Press.

Ще одна важлива відмінність водяних хвиль полягає в тому, що хвилі Релея можуть поширюватися лише у твердих середовищах, оскільки існує сила зсуву, яка не виникає в рідинах.

Амплітуда переміщення частинок зменшується експоненціально з глибиною, оскільки хвиля обмежується поверхнею, хоча якщо це землетрус високої інтенсивності, хвилі можуть обвести Землю кілька разів, перш ніж повністю зникнути. .

Хвилі кохання

В коханні хвилі частинки горизонтально поляризовані і мають велику амплітуду руху, паралельну поверхні. Вони рухаються з трохи меншою швидкістю, ніж хвилі Релея, хоча швидкість у цих типів хвиль залежить від довжини хвилі (дисперсивна хвиля).

Щоб ці хвилі поширювались, у середині повинен бути шар низької швидкості, накладений принаймні на один швидкісний шар. Як і хвилі Релея, хвилі любові, що утворюються під час землетрусу, можуть обвести Землю кілька разів, перш ніж розпорошити свою енергію.

Малюнок 5. Хвилі кохання. Джерело: Wikimedia Commons. Нікогуаро

Земляний рулон

Часто зустрічається такий варіант хвиль Релея, званий наземним рулоном, у записах сейсмічних розвідок. Це вважається шумом і його слід уникати, оскільки завдяки великій амплітуді він іноді маскує відбиття, які ви хочете бачити.

Океанські хвилі

На великій глибині океанські хвилі - це поздовжні хвилі, як звукові. Це означає, що його напрямок поширення такий самий, як напрямок, коли вібрують частинки.

Однак хвиля біля поверхні має як поздовжні, так і поперечні компоненти, внаслідок чого частинки йдуть майже круговим шляхом (див. Рисунок 2 праворуч).

Малюнок 6. Океанські хвилі - поверхневі хвилі. Джерело: Pixabay.

Список літератури

1. Фігероа, Д. 2005. Хвилі та квантова фізика. Серія фізики для науки та техніки. Під редакцією Д. Фігероа.
2. Giambattista, A. 2010. Фізика. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Основи геофізики. 2-й. Видання. Cambridge University Press.
4. Вікіпедія. Хвилі кохання. Відновлено з: es.wikipedia.org.
5. Вікіпедія. Рейлеї хвилі. Відновлено з: es.wikipedia.org.
6. Вікіпедія. Поверхневі хвилі. Відновлено з: en.wikipedia.org.