Je kunt je voorstellen wat mechanische golven zijn door een steen in het water te gooien. De cirkels die erop verschijnen en afwisselend dalen en richels zijn, zijn een voorbeeld van mechanische golven. Wat is hun essentie? Mechanische golven zijn het proces van trillingsvoortplanting in elastische media.
Golven op vloeibare oppervlakken
Dergelijke mechanische golven bestaan door de invloed van intermoleculaire krachten en zwaartekracht op de deeltjes van een vloeistof. Mensen bestuderen dit fenomeen al heel lang. De meest opvallende zijn de oceaan en de zeegolven. Naarmate de windsnelheid toeneemt, veranderen ze en neemt hun hoogte toe. De vorm van de golven zelf wordt ook ingewikkelder. In de oceaan kunnen ze angstaanjagende proporties aannemen. Een van de duidelijkste voorbeelden van geweld is de tsunami die alles op zijn pad wegvaagt.
Energie van zee- en oceaangolven
Bij het bereiken van de kust nemen de golven van de zee toe met een scherpe verandering in diepte. Ze bereiken soms een hoogte van enkele meters. Op zulke momenten wordt de kinetische energie van een kolossale watermassa overgebracht naar kustobstakels, die onder zijn invloed snel worden vernietigd. De kracht van de branding bereikt soms grandioze waarden.
Elastische golven
In de mechanica worden niet alleen trillingen op het oppervlak van een vloeistof bestudeerd, maar ook de zogenaamde elastische golven. Dit zijn verstoringen die zich in verschillende media voortplanten onder invloed van elastische krachten daarin. Een dergelijke verstoring is elke afwijking van de deeltjes van een bepaald medium van de evenwichtspositie. Een goed voorbeeld van elastische golven is een lang touw of rubberen buis die aan een uiteinde ergens aan vast zit. Als je het strak trekt en vervolgens een verstoring veroorzaakt aan het tweede (niet-gefixeerde) uiteinde met een zijwaartse scherpe beweging, kun je zien hoe het over de hele lengte van het touw naar de steun "loopt" en wordt teruggekaatst.
Bron van mechanische golven
De aanvankelijke verstoring leidt tot het verschijnen van een golf in het medium. Het wordt veroorzaakt door de werking van een vreemd lichaam, dat in de natuurkunde de bron van de golf wordt genoemd. Het kan de hand zijn van een persoon die aan een touw zwaait, of een kiezelsteen die in het water wordt gegooid. In het geval dat de werking van de bron van korte duur is, verschijnt vaak een eenzame golf in het medium. Wanneer de "verstoorder" lange oscillerende bewegingen maakt, beginnen de golven de een na de ander te verschijnen.
Voorwaarden voor het optreden van mechanische golven
Dit soort oscillatie wordt niet altijd gevormd. Een noodzakelijke voorwaarde voor hun verschijning is het optreden op het moment van verstoring van het medium van krachten die het verhinderen, in het bijzonder elasticiteit. Ze hebben de neiging om naburige deeltjes dichter bij elkaar te brengen wanneer ze uit elkaar gaan, en ze van elkaar af te duwen wanneer ze elkaar naderen. Elastische krachten die werken op afstand vanbron van verstoring van het deeltje, beginnen ze uit balans te brengen. Na verloop van tijd zijn alle deeltjes van het medium betrokken bij één oscillerende beweging. De voortplanting van dergelijke trillingen is de golf.
Mechanische golven in een elastisch medium
In een elastische golf zijn er 2 soorten beweging tegelijk: deeltjesoscillaties en verstoringsvoortplanting. Een longitudinale golf is een mechanische golf waarvan de deeltjes oscilleren in de richting van hun voortplanting. Een transversale golf is een golf waarvan de middelgrote deeltjes oscilleren in de richting van zijn voortplanting.
Eigenschappen van mechanische golven
Verstoringen in een longitudinale golf zijn verdunning en compressie, en in een transversale golf zijn het verschuivingen (verplaatsingen) van sommige lagen van het medium ten opzichte van andere. De compressievervorming gaat gepaard met het optreden van elastische krachten. In dit geval wordt afschuifvervorming geassocieerd met het optreden van elastische krachten uitsluitend in vaste stoffen. In gasvormige en vloeibare media gaat de verschuiving van de lagen van deze media niet gepaard met het optreden van de genoemde kracht. Vanwege hun eigenschappen kunnen longitudinale golven zich in elk medium voortplanten, terwijl transversale golven zich alleen in vaste stoffen kunnen voortplanten.
Kenmerken van golven op het oppervlak van vloeistoffen
Golven op het oppervlak van een vloeistof zijn noch longitudinaal noch transversaal. Ze hebben een complexer, zogenaamd longitudinaal-transversaal karakter. In dit geval bewegen de vloeistofdeeltjes in een cirkel of langs langwerpige ellipsen. De cirkelvormige bewegingen van deeltjes op het oppervlak van een vloeistof, en vooral tijdens grote trillingen, gaan gepaard met hun langzame maar continuebewegen in de richting van golfvoortplanting. Het zijn deze eigenschappen van mechanische golven in het water die ervoor zorgen dat verschillende soorten zeevruchten aan de kust verschijnen.
Mechanische golffrequentie
Als in een elastisch medium (vloeibaar, vast, gasvormig) trilling van zijn deeltjes wordt geëxciteerd, dan zal het zich door de interactie tussen hen voortplanten met een snelheid u. Dus als een oscillerend lichaam zich in een gasvormig of vloeibaar medium bevindt, zal zijn beweging worden overgedragen op alle aangrenzende deeltjes. Ze zullen de volgende bij het proces betrekken, enzovoort. In dit geval zullen absoluut alle punten van het medium beginnen te oscilleren met dezelfde frequentie, gelijk aan de frequentie van het oscillerende lichaam. Het is de frequentie van de golf. Met andere woorden, deze waarde kan worden gekarakteriseerd als de oscillatiefrequentie van punten in het medium waar de golf zich voortplant.
Het is misschien niet meteen duidelijk hoe dit proces verloopt. Mechanische golven worden geassocieerd met de overdracht van energie van oscillerende beweging van de bron naar de periferie van het medium. Hierdoor ontstaan zogenaamde periodieke vervormingen, die door de golf van het ene punt naar het andere worden gedragen. In dit geval bewegen de deeltjes van het medium zelf niet mee met de golf. Ze oscilleren in de buurt van hun evenwichtspositie. Dat is de reden waarom de voortplanting van een mechanische golf niet gepaard gaat met de overdracht van materie van de ene plaats naar de andere. Mechanische golven hebben verschillende frequenties. Daarom werden ze verdeeld in reeksen en creëerden ze een speciale schaal. Frequentie wordt gemeten in hertz (Hz).
Basisformules
Mechanische golven, waarvan de berekeningsformules vrij eenvoudig zijn, zijn een interessant object om te bestuderen. De golfsnelheid (υ) is de snelheid van zijn voorwaartse beweging (de meetkundige plaats van alle punten waar de oscillatie van het medium op dit moment heeft bereikt):
υ=√G/ ρ, waar ρ de dichtheid van het medium is, is G de elasticiteitsmodulus.
Verwar bij het berekenen de snelheid van een mechanische golf in een medium niet met de bewegingssnelheid van deeltjes van het medium die betrokken zijn bij het golfproces. Een geluidsgolf in lucht plant zich bijvoorbeeld voort met een gemiddelde trillingssnelheid van zijn moleculen van 10 m/s, terwijl de snelheid van een geluidsgolf onder normale omstandigheden 330 m/s is.
Wave front komt in vele vormen, waarvan de eenvoudigste zijn:
• Bolvormig - veroorzaakt door schommelingen in een gasvormig of vloeibaar medium. In dit geval neemt de amplitude van de golf af met de afstand tot de bron, omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand.
• Plat - is een vlak dat loodrecht staat op de voortplantingsrichting van de golf. Het komt bijvoorbeeld voor in een gesloten zuigercilinder wanneer deze oscilleert. Een vlakke golf wordt gekenmerkt door een bijna constante amplitude. De lichte afname met de afstand tot de storingsbron hangt samen met de viscositeitsgraad van het gasvormige of vloeibare medium.
Golflengte
Onder de golflengte wordt verstaan de afstand waarover zijn front zal bewegen in de tijd datis gelijk aan de oscillatieperiode van de deeltjes van het medium:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, waarbij T de oscillatieperiode is, υ de golfsnelheid is, ω de cyclische frequentie is, ν de oscillatiefrequentie van de middenpunten is.
Omdat de voortplantingssnelheid van een mechanische golf volledig afhankelijk is van de eigenschappen van het medium, verandert de lengte λ tijdens de overgang van het ene medium naar het andere. In dit geval blijft de oscillatiefrequentie ν altijd hetzelfde. Mechanische en elektromagnetische golven zijn vergelijkbaar in die zin dat wanneer ze zich voortplanten, energie wordt overgedragen, maar er wordt geen materie overgedragen.
