LONGITUDINELLE BØLGER: EGENSKAPER, FORSKJELLER, EKSEMPLER - FYSISK - 2024

De langsgående bølger er manifestert i materielle midler i hvilke partiklene svinger parallelt med retningen bølgen. som vil sees på de følgende bildene. Dette er dets særpreg.

Lydbølger, visse bølger som vises under et jordskjelv og de som produseres i en slinky eller vår når det får en liten impuls i samme retning av aksen, er gode eksempler på denne bølgeklassen.

Figur 1. Lyd er en langsgående bølge som produserer suksessive kompresjoner og ekspansjoner i luften. Kilde: Wikimedia Commons. Pluke

Lyd produseres når et objekt (for eksempel figurens innstillingsgaffel, et musikkinstrument eller ganske enkelt stemmebåndene) får til å vibrere i et medium som kan overføre forstyrrelsen gjennom vibrasjonene i molekylene. Luft er et passende medium, men også væsker og faste stoffer.

Forstyrrelsen endrer trykket og densiteten gjentatte ganger. På denne måten produserer bølgen kompresjoner og utvidelser (rarefaction) i molekylene i mediet, når energien beveger seg med en viss hastighet v .

Disse endringene i trykket oppfattes av øret gjennom vibrasjoner i trommehinnen, som nervenettet er ansvarlig for å omdanne til små elektriske strømmer. Når du når hjernen, tolker det dem som lyder.

I en langsgående bølge kalles mønsteret som gjentas kontinuerlig en syklus, og dets varighet er perioden for bølgen. Det er også amplituden, som er den maksimale intensiteten og som måles i henhold til størrelsesorden som tas som referanse, når det gjelder lyd kan det være variasjonen av trykket i mediet.

En annen viktig parameter er bølgelengden: avstanden mellom to påfølgende kompresjoner eller utvidelser, se figur 1. I det internasjonale systemet måles bølgelengden i meter. Endelig er det hastigheten (i meter / sekund for det internasjonale systemet), som indikerer hvor raskt energien forplanter seg.

Hvordan vises langsgående bølger i havbølger?

I en vannlevende kropp produseres bølger av flere årsaker (trykkendringer, vind, gravitasjonsinteraksjoner med andre stjerner). På denne måten kan marine bølger klassifiseres til:

- Vindbølger

- Tidevann

- Tsunamis

Beskrivelsen av disse bølgene er ganske kompleks. Generelt sett, i dypt vann, beveger bølgene seg i langsgående retning og produserer periodiske kompresjoner og utvidelser av mediet, som beskrevet i begynnelsen.

Men på overflaten av havet er ting litt annerledes, siden det er dominerende såkalte overflatebølger, som kombinerer kjennetegn på langsgående bølger og tverrbølger. Derfor skiller bølgene som beveger seg i dypet av vannmiljøet sterkt fra de som beveger seg på overflaten.

En tømmerstokk som flyter på havoverflaten har en slags gjengjeldende eller forsiktig roterende bevegelse. Når bølgene bryter på bredden, er det faktisk langsgående komponenter i bølgen som dominerer, og når tømmerstokken reagerer på bevegelsen til vannmolekylene som omgir den, blir den også observert komme og går på overflaten.

Figur 2. Sjøbølger på overflaten er bølger som delvis har langsgående bølgelegenskaper og delvis tverrgående. Kilde: Kilde: Vargklo på en.wikipedia

Forholdet mellom dybde og bølgelengde

Faktorene som bestemmer bølgetypen som produseres, er: dybden på vannet og bølgelengden til havbølgen. Hvis dybden på vannet på et gitt punkt kalles d, og bølgelengden er λ, går bølgene fra å være langsgående til overfladiske når:

På overflaten får vannmolekylene rotasjonsbevegelser som de mister når dybden øker. Friksjonen av vannmassen med bunnen får disse banene til å bli elliptiske, som vist i figur 2.

På strendene er vannet nær kysten mer rastløst fordi bølgene brytes, vannpartiklene bremses ned i bunnen og dette får mer vann til å samle seg på åsene. I dypere farvann oppleves derimot hvordan bølgene mykner.

Når d >> λ / 2 har vi dypt vannbølger eller korte bølger, sirkulære eller elliptiske baner reduseres i størrelse og langsgående bølger dominerer. Og hvis d << λ / 2, er bølgene fra overflatevann eller lange bølger.

Forskjeller med skjærbølger

Både langsgående og tverrgående bølger faller i kategorien mekaniske bølger, som krever et materiellt medium for deres utbredelse.

Det viktigste skillet mellom de to ble nevnt i begynnelsen: i tverrbølger beveger partiklene av mediet seg vinkelrett på bølgens forplantningsretning, mens de i langsgående bølger svinger i samme retning etterfulgt av forstyrrelsen. Men det er mer særegne trekk:

Flere forskjeller mellom tverrgående og langsgående bølger

- I en tverrgående bølge skilles kammer og daler, som i lengderetningen tilsvarer kompresjoner og utvidelser.

- En annen forskjell er at langsgående bølger ikke er polarisert fordi retningen på bølgens hastighet er den samme som bevegelsen til de svingende partiklene.

- Tverrbølgene kan forplante seg i ethvert medium og til og med i et vakuum, for eksempel elektromagnetiske bølger. På den annen side, inne i væsker, manglende stivhet, har partiklene ikke noe annet valg enn å gli forbi hverandre og bevege seg som forstyrrelsen gjør, det vil si i lengderetningen.

Som en konsekvens er bølgene som stammer fra midten av oseaniske og atmosfæriske masser langsgående, siden tverrbølger krever medier med tilstrekkelig stivhet for å tillate karakteristiske vinkelrett bevegelser.

- Langsgående bølger forårsaker trykk- og tetthetsvariasjoner i mediet som de forplanter seg gjennom. På den annen side påvirker ikke tverrbølgene mediet på denne måten.

Likheter mellom langsgående og tverrgående bølger

De har de samme delene til felles: periode, amplitude, frekvens, sykluser, fase og hastighet. Alle bølger gjennomgår refleksjon, brytning, diffraksjon, interferens og Doppler-effekten og fører energi gjennom mediet.

Selv om toppene og dalene er særegne ved en tverrbølge, er kompresjonene i den langsgående bølgen analoge med toppene og ekspansjonene til dalene, på en slik måte at begge bølgene innrømmer den samme matematiske beskrivelsen av sinusbølgen eller sinusbølgen.

Eksempler på langsgående bølger

Lydbølger er de mest typiske langsgående bølger og er blant de mest studerte, siden de er grunnlaget for kommunikasjon og musikalsk uttrykk, grunner til deres betydning i folks liv. I tillegg har lydbølger viktige anvendelser innen medisin, både i diagnose og i behandling.

Ultralydteknikken er velkjent for å oppnå medisinske bilder, så vel som for behandling av nyrestein, blant andre bruksområder. Ultralyd genereres av en piezoelektrisk krystall som er i stand til å skape en langsgående trykkbølge når et elektrisk felt blir påført (det produserer også en strøm når trykket påføres).

For å virkelig se hvordan en langsgående bølge ser ut, er ingenting bedre enn spiralfjærer eller slinkys. Ved å gi en liten impuls til våren, er det øyeblikkelig å se hvordan kompresjonene og ekspansjonene forplantes vekselvis gjennom svingene.

- Seismiske bølger

Langsgående bølger er også en del av seismiske bevegelser. Jordskjelv består av forskjellige typer bølger, blant dem P eller primære bølger og S eller sekundære bølger. De førstnevnte er langsgående, mens i sistnevnte vibrerer de mediumpartiklene i en retning på tvers av bølgenes forskyvning.

I jordskjelv produseres både langsgående bølger (primære P-bølger) og tverrbølger (sekundære S-bølger) og andre typer, for eksempel Rayleigh-bølger og Love-bølger, på overflaten.

Faktisk er langsgående bølger de eneste som er kjent for å reise gjennom jordens sentrum. Siden de bare beveger seg i flytende eller gassformige medier, tror forskere at jordens kjerne hovedsakelig er sammensatt av smeltet jern.

- Søknadsøvelse

P-bølgene og S-bølgene som ble produsert under et jordskjelv reiser i forskjellige hastigheter på jorden, så deres ankomsttider til seismografiske stasjoner er forskjellige (se figur 3). Takket være dette er det mulig å bestemme avstanden til episentret av jordskjelvet, ved triangulering, ved hjelp av data fra tre eller flere stasjoner.

Figur 3. De seismiske bølgene P og S ankommer seismografene med forskjellige tider, siden hastighetene deres er forskjellige. Kilde: Wikimedia Commons.

Anta at v _P = 8 km / s er hastigheten på P-bølgene, mens hastigheten på S-bølgene er v _S = 5 km / s. P-bølgene ankommer 2 minutter før de første S-bølgene. Hvordan beregne avstanden fra episentret?

Svare

La D være avstanden mellom episenteret og den seismologiske stasjonen. Med dataene som leveres, kan reisetiden t _P og t _S for hver bølge bli funnet:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Forskjellen er Δt = t _S - t _P :

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

Løsning for verdien av D:

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

Å vite at 2 minutter = 120 sekunder og erstatte resten av verdiene:

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

referanser

1. Forskjell mellom tverrgående og langsgående bølger. Gjenopprettet fra: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Fysikkserie for vitenskap og ingeniørfag. Bind 7. Redigert av Douglas Figueroa. Simon Bolivar University. 1-58.
3. Infrasound og ultralyd. Gjenopprettet fra: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Longitudinal og Transverse Wave Motion. Hentet fra: acs.psu.edu.
6. Vannbølger. Hentet fra: labman.phys.utk.edu.