НАДЛЪЖНИ ВЪЛНИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РАЗЛИКИ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На надлъжни вълни се проявяват в материални средства, в които частиците осцилира паралелно на посоката на вълната пътува. както ще се види на следващите изображения. Това е неговата отличителна черта.

Звуковите вълни, определени вълни, които се появяват по време на земетресение, и тези, които се получават в мътна или пружинна, когато се дава малък импулс в същата посока на оста си, са добри примери за този клас вълни.

Фигура 1. Звукът е надлъжна вълна, която произвежда последователни компресии и разширения във въздуха. Източник: Wikimedia Commons. Pluke

Звукът се произвежда, когато обект (като настройката на фигурата, музикален инструмент или просто гласните струни) е направен да вибрира в среда, способна да предава смущения чрез вибрациите на неговите молекули. Въздухът е подходяща среда, но също така има течности и твърди вещества.

Смущението многократно променя налягането и плътността на средата. По този начин вълната произвежда компресии и разширения (разредки) в молекулите на средата, тъй като енергията се движи с определена скорост v.

Тези промени в налягането се възприемат от ухото чрез вибрации в тъпанчето, които нервната мрежа е отговорна за превръщането в малки електрически токове. Когато стигнат до мозъка, той ги интерпретира като звуци.

При надлъжна вълна моделът, който се повтаря непрекъснато, се нарича цикъл, а продължителността му е периодът на вълната. Съществува и амплитудата, която е максималната интензивност и която се измерва според величината, която се приема за еталон, в случай на звук може да бъде изменението на налягането в средата.

Друг важен параметър е дължината на вълната: разстоянието между две последователни компресии или разширения, вижте фигура 1. В Международната система дължината на вълната се измерва в метри. Накрая там е неговата скорост (в метри / секунда за Международната система), което показва колко бързо се разпространява енергията.

Как се появяват надлъжни вълни в океанските вълни?

Във водно тяло вълните се произвеждат от множество причини (промени в налягането, ветрове, гравитационни взаимодействия с други звезди). По този начин морските вълни могат да бъдат класифицирани в:

- Вятърни вълни

- Приливи

- цунами

Описанието на тези вълни е доста сложно. Като цяло, в дълбоките води вълните се движат надлъжно, произвеждайки периодични компресии и разширения на средата, както е описано в началото.

На повърхността на морето обаче нещата са малко по-различни, тъй като съществуват преобладаващи така наречени повърхностни вълни, които съчетават характеристики на надлъжни вълни и напречни вълни. Следователно вълните, които се движат в дълбините на водната среда, се различават значително от тези, които се движат по повърхността.

Дървесина, плаваща на морската повърхност, има вид повтарящо се или леко въртящо се движение. Всъщност, когато вълните се счупят на брега, преобладават надлъжните компоненти на вълната и тъй като логът реагира на движението на водните молекули, които го заобикалят, то също се наблюдава, идващи и излизащи на повърхността.

Фигура 2. Морските вълни на повърхността са вълни, които отчасти имат надлъжни вълнови характеристики и отчасти напречни. Източник: Източник: Vargklo в en.wikipedia

Връзка между дълбочина и дължина на вълната

Факторите, които определят вида на вълната, която се произвежда, са: дълбочината на водата и дължината на вълната на морската вълна. Ако дълбочината на водата в дадена точка се нарича d, а дължината на вълната е λ, вълните преминават от надлъжна към повърхностна, когато:

На повърхността водните молекули придобиват въртеливи движения, които губят с увеличаване на дълбочината. Триенето на водната маса с дъното причинява тези орбити да станат елиптични, както е показано на фигура 2.

На плажовете водите в близост до брега са по-неспокойни, защото там вълните се чупят, водните частици се забавят на дъното и това води до натрупване на повече вода по хребетите. В по-дълбоките води, от друга страна, се възприема как вълните омекват.

Когато d >> λ / 2 имаме дълбоки водни вълни или къси вълни, кръговите или елиптичните орбити намаляват по размер и надлъжните вълни преобладават. И ако d << λ / 2 вълните са от повърхностни води или дълги вълни.

Разлики със срязващи вълни

Както надлъжните, така и напречните вълни попадат в категорията на механичните вълни, които се нуждаят от материална среда за тяхното разпространение.

Основното разграничение, направено между двете, беше споменато в началото: при напречни вълни частиците на средата се движат перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната, докато при надлъжни вълни те се колебаят в същата посока, последвана от смущаването. Но има и по-отличителни характеристики:

Повече разлики между напречни и надлъжни вълни

- В напречна вълна се разграничават гребени и долини, които в надлъжни са еквивалентни на компресии и разширения.

- Друга разлика е, че надлъжните вълни не са поляризирани, защото посоката на скоростта на вълната е същата като тази на движението на колебателните частици.

- напречните вълни могат да се разпространяват във всяка среда и дори във вакуум, като електромагнитни вълни. От друга страна, вътре в течности, липсващи твърдост, частиците нямат друг избор, освен да се плъзгат покрай една друга и да се движат, както прави нарушението, тоест надлъжно.

В резултат вълните, възникващи в средата на океанските и атмосферните маси, са надлъжни, тъй като напречните вълни изискват среда с достатъчна твърдост, за да позволят характерните перпендикулярни движения.

- Надлъжните вълни причиняват промени в налягането и плътността в средата, през която се разпространяват. От друга страна, напречните вълни не влияят върху средата по този начин.

Прилики между надлъжни и напречни вълни

Те имат еднакви общи части: период, амплитуда, честота, цикли, фаза и скорост. Всички вълни се подлагат на отражение, пречупване, дифракция, интерференция и доплеров ефект и носят енергия през средата.

Въпреки че върховете и долините се отличават с напречна вълна, компресиите в надлъжната вълна са аналогични на върховете и разширенията на долините по такъв начин, че и двете вълни допускат едно и също математическо описание на синусоидалната или синусоидалната вълна.

Примери за надлъжни вълни

Звуковите вълни са най-типичните надлъжни вълни и са сред най-изследваните, тъй като те са в основата на комуникацията и музикалната изява, причините за тяхното значение в живота на хората. Освен това звуковите вълни имат важно приложение в медицината, както в диагностиката, така и в лечението.

Ултразвуковата техника е добре известна за получаване на медицински изображения, както и за лечение на камъни в бъбреците, наред с други приложения. Ултразвукът се генерира от пиезоелектричен кристал, способен да създаде надлъжна вълна на налягането, когато се прилага електрическо поле (той също произвежда ток, когато се прилага налягане).

За да видите наистина как изглежда надлъжна вълна, нищо по-добро от пружини или пружини. Подавайки малък импулс на пружината, незабавно се наблюдава как компресиите и разширяванията се разпространяват последователно през завоите.

- сеизмични вълни

Надлъжните вълни също са част от сеизмичните движения. Земетресенията се състоят от различни видове вълни, сред които са P или първични вълни и S или вторични вълни. Първите са надлъжни, докато при вторите частиците на средата вибрират в посока, напречна на изместването на вълната.

При земетресения върху повърхността се произвеждат както надлъжни вълни (първични Р вълни), така и напречни вълни (вторични S вълни) и други видове, като вълни на Рейли и вълни Любов.

Всъщност надлъжните вълни са единствените, за които се знае, че пътуват през центъра на Земята. Тъй като те се движат само в течни или газообразни среди, учените смятат, че ядрото на Земята е съставено главно от разтопено желязо.

- Упражнение за приложение

P вълните и S вълните, произведени по време на земетресение, пътуват с различна скорост по Земята, така че времената им на пристигане в сеизмографските станции са различни (вижте фигура 3). Благодарение на това е възможно да се определи разстоянието до епицентъра на земетресението чрез триангулация, като се използват данни от три или повече станции.

Фигура 3. Сеизмичните вълни P и S пристигат до сеизмографите с различно време, тъй като скоростите им са различни. Източник: Wikimedia Commons.

Да предположим, че v _P = 8 km / s е скоростта на P вълните, докато скоростта на S вълните е v _S = 5 km / s. P вълните пристигат 2 минути преди първите вълни S. Как да се изчисли разстоянието от епицентъра?

Отговор

Нека D е разстоянието между епицентъра и сеизмологичната станция. С предоставените данни може да се намери времето на пътуване t _P и t _S на всяка вълна:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Разликата е Δt = t _S - t _P:

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

Решаване за стойността на D:

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

Знаейки, че 2 минути = 120 секунди и заместваме останалите стойности:

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

Препратки

1. Разлика между напречните и надлъжните вълни. Възстановено от: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Вълни и квантова физика. Серия физика за наука и инженерство. Том 7. Редактиран от Дъглас Фигероа. Университета Симон Боливар. 1-58.
3. Инфразвук и ултразвук. Възстановени от: lpi.tel.uva.es
4. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън. 263-286.
5. Ръсел, Д. Надлъжно и напречно вълново движение. Получено от: acs.psu.edu.
6. Водни вълни. Извлечено от: labman.phys.utk.edu.