- Видове повърхностни вълни
- Повърхностни еластични вълни на земната повърхност
- Примери за повърхностни вълни
- Рейли вълни
- Вълни от любов
- Земна ролка
- океански вълни
- Препратки
Повърхностните вълни са тези, при които вибриращите частици имат движение в две измерения, като вълните, които се получават при падане на камък в езерце или езеро.
Този тип вълна се появява на интерфейса между две различни среди, като океана и въздуха, или между повърхността на Земята и въздуха. Това са вълни, при които частиците изпитват напречни, комбинирани с надлъжни измествания, тоест двумерни.
Фигура 1. Повърхностни вълни в езерце. Източник: Pixabay
Например водните частици на океанската повърхност - вълни - се движат по кръгови пътеки. Когато вълните се счупят на брега, преобладават надлъжни измествания и следователно се вижда, че морската водорасла или парче дърво, което плава, се движи плавно отпред и отзад.
Вълните също се движат по земната повърхност по начин, аналогичен на океанските вълни. Те пътуват с по-ниска скорост от вълните, които се движат вътрешно през земния обем, но са в състояние да предизвикат резонанс в сградите по-лесно.
Тъй като вълните произвеждат вибрации и носят енергия, те имат разрушителни ефекти по време на земетресения.
Фигура 2. Повърхностни вълни в океана. Водните частици се движат по посока на часовниковата стрелка, когато движението на вълната е отляво надясно. В най-високата точка те са на гребена на вълната, докато най-ниската точка се нарича канал. Източник на лявата фигура: Ф. Сапата. Правилен източник на фигурата: Giambattista, A. 2010. Физика. 2-ри. Edition. McGraw Hill.
Видове повърхностни вълни
Всеки тип вълна, независимо дали е повърхностна или не, е решение на вълновото уравнение, което се прилага за почти всеки тип вълново движение, не само механично, както са описани примерите, но и електромагнитни вълни, които са различни видове вълни, тъй като те са напречни.
Уравнението на вълната, което се получава, като се има предвид вторият закон на Нютон, се записва така:
В горното уравнение u е вълновата функция, която зависи от трите пространствени координати x, y и z плюс време t: u = u (x, y, z, t). Освен това v е скоростта на безпокойството. Уравнението на вълната може да бъде посочено в други координатни системи в зависимост от необходимата геометрия.
За да се намери решението на уравнението, той се приспособява към условията на задачата, в която например геометрията е разграничена и се установяват свойствата на средата, през която се движи смущаването.
Има много видове повърхностни вълни, като например:
-Гравитационни вълни (гравитационни вълни) като океански вълни, описани в началото, при които гравитацията осигурява възстановяваща сила, която позволява напречно движение.
-Повърхността набъбва в езерце, тук е повърхностното напрежение на водата, което упражнява като възстановяваща сила.
-Повърхностни еластични вълни, които се движат по земната повърхност по време на земетресение.
-Електромагнитни вълни, които въпреки че са напречни, могат да бъдат правилно направлявани за движение по повърхност.
-Някои видове вълни, които се произвеждат в струните на китара, когато струните се удрят със сила.
Повърхностни еластични вълни на земната повърхност
Фигура 3. Повърхностна вълна на земната повърхност. Движението на частиците е комбинация от напречни и надлъжни измествания. Източник: Giambattista, A. 2010. Физика. 2-ри. Edition. McGraw Hill.
При решаването на вълновото уравнение решенията, както казахме, съответстват на различни видове вълни. Когато смущаването се движи в твърда среда като земната кора, е възможно да се направят някои предположения за това, които опростяват процеса.
Поради тази причина средата се счита за идеално еластична, хомогенна и изотропна, което означава, че нейните свойства са еднакви, независимо от положението или посоката.
Имайки това предвид, две от решенията на вълновото уравнение в еластична среда съответстват на повърхностните вълни:
- Вълни на Рейли, кръстен на лорд Рейли (1842-1919), британския физик, който ги е описал за първи път.
-Waves of Love, от Август Лав, британски геофизик и математик (1863-1940), който разработва теорията за тези вълни в своите трудове за еластичност.
В сеизмичните тези вълни се наричат L вълни, за да ги разграничат от P вълни и S вълни, като двете се считат за обемни вълни (телесни вълни), които също са решение на вълновото уравнение с условията, описани по-горе. P вълните са надлъжни, а S вълните - напречни.
Примери за повърхностни вълни
Рейли вълни
При Рейлевата вълна частиците на вълновата фронта вибрират във вертикалната равнина, затова се казва, че са вертикално поляризирани. Частиците се движат в елипса, за разлика от вълните на повърхността на океана, чието движение е кръгово, както беше казано в началото (въпреки че близо до брега те са доста елиптични).
Основната ос на елипсата е вертикална, а малката ос следва посоката на разпространение, както е показано на фигурата. Там също се отбелязва, че движението е ретроградно, тоест се извършва в посока, обратна на часовниковата стрелка.
Фигура 4. Рейлева вълна. Източник: Lowrie, W. 2007. Основи на геофизиката. 2-ри. Edition. Cambridge University Press.
Друга важна разлика с водните вълни е, че Рейлевите вълни могат да се разпространяват само в твърди среди, тъй като има сила на срязване, която не се проявява в течности.
Амплитудата на изместването на частиците намалява експоненциално с дълбочината, тъй като вълната е ограничена до повърхността, въпреки че ако е земетресение с висока интензивност, вълните могат да обиколят Земята няколко пъти, преди да изчезнат напълно.,
Вълни от любов
В любовните вълни частиците са хоризонтално поляризирани и имат голяма амплитуда на движение, успоредна на повърхността. Те се движат с малко по-малка скорост от вълните на Rayleigh, въпреки че скоростта при тези видове вълни зависи от дължината на вълната (дисперсивна вълна).
За да се разпространят тези вълни, трябва да има слой с ниска скорост, наслагван поне на един слой с по-висока скорост в средата. Подобно на вълните на Рейли, вълните от любов, произведени по време на земетресение, могат да обиколят Земята няколко пъти, преди да разпръснат енергията си.
Фигура 5. Вълни на любовта. Източник: Wikimedia Commons. Nicoguaro
Земна ролка
Обичайно е да се намери този вариант на вълни на Рейли, наречен наземна ролка, в записи за сеизмични проучвания. Счита се за шум и трябва да се избягва, защото поради голямата си амплитуда понякога маскира отраженията, които търсите да видите.
океански вълни
На голяма дълбочина океанските вълни са надлъжни вълни, като тези на звука. Това означава, че посоката му на разпространение е същата като посоката, в която частиците вибрират.
Вълната, обаче, близо до повърхността, има както надлъжни, така и напречни компоненти, което кара частиците да следват почти кръгов път (виж фигура 2 вдясно).
Фигура 6. Океанските вълни са повърхностни вълни. Източник: Pixabay
Препратки
- Figueroa, D. 2005. Вълни и квантова физика. Серия физика за наука и инженерство. Редактиран от Д. Фигероа.
- Giambattista, A. 2010. Физика. McGraw Hill.
- Lowrie, W. 2007. Основи на геофизиката. 2-ри. Edition. Cambridge University Press.
- Wikipedia. Вълни от любов. Възстановено от: es.wikipedia.org.
- Wikipedia. Рейли вълни. Възстановено от: es.wikipedia.org.
- Wikipedia. Повърхностни вълни. Възстановено от: en.wikipedia.org.