OVERFLATEBØLGER: EGENSKAPER, TYPER OG EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Overflatebølger er de hvor de vibrerende partiklene har bevegelse i to dimensjoner, slik som de bølger som frembringes når en sten faller ned i en dam eller innsjø.

Denne typen bølger forekommer ved grensesnittet mellom to forskjellige medier, for eksempel havet og luften, eller mellom jordoverflaten og luften. Dette er bølger der partiklene opplever tverrgående kombinert med langsgående forskyvninger, det vil si todimensjonale.

Figur 1. Overflatebølger i et tjern. Kilde: Pixabay.

For eksempel beveger vannpartiklene på havoverflaten - bølger seg i sirkulære stier. Når bølgene bryter i bredden, dominerer langsgående forskyvninger, og slik at du ser algene eller et trevirke som flyter beveger seg jevnt fra foran til bak.

Bølger beveger seg også på jordoverflaten på en måte som er analog med havbølger. De reiser med en lavere hastighet enn bølgene som beveger seg internt gjennom jordens volum, men de er i stand til å forårsake resonans i bygninger lettere.

Siden bølger produserer vibrasjoner og bærer energi, har de ødeleggende effekter under jordskjelv.

Figur 2. Overflatebølger i havet. Vannpartiklene beveger seg med urviseren når bølgenes bevegelse er fra venstre til høyre. På det høyeste punktet er de på bølgens toppen, mens det laveste punktet kalles kanalen. Kilde til venstre figur: F. Zapata. Til høyre figur kilde: Giambattista, A. 2010. Physics. Andre. Edition. McGraw Hill.

Typer overflatebølger

Enhver bølgetype, enten overfladisk eller ikke, er en løsning av bølgeforlikningen, som brukes på nesten alle typer bølgebevegelser, ikke bare mekaniske, som eksemplene beskrevet, men også elektromagnetiske bølger, som er en forskjellige bølger når de er tverrgående.

Bølgeligningen, som oppnås med tanke på Newtons andre lov, er skrevet slik:

I ligningen ovenfor er u bølgefunksjonen som er avhengig av de tre romlige koordinatene x, y og z pluss tid t: u = u (x, y, z, t). Videre er v hastigheten for forstyrrelsen. Bølgesammenligningen kan angis i andre koordinatsystemer avhengig av geometrien som kreves.

For å finne løsningen på ligningen blir den justert til forholdene i problemet, der for eksempel geometrien er avgrenset og egenskapene til mediet som forstyrrelsen beveger seg igjennom.

Det er mange typer overflatebølger, for eksempel:

-Gravitasjonsbølger (gravitasjonsbølger) som havbølger beskrevet i begynnelsen, hvor tyngdekraften gir en gjenopprettende kraft som tillater tverrgående bevegelse.

-Flaten svulmer opp i et tjern, her er overflatespenningen til vannet som utøver som en gjenopprettende kraft.

- Overflateelastiske bølger som beveger seg på jordoverflaten under et jordskjelv.

-Elektromagnetiske bølger, som til tross for at de er tverrgående, kan ledes riktig for å bevege seg på en overflate.

-Noen typer bølger som produseres i strengene til en gitar når strengene blir truffet med kraft.

Overfladiske elastiske bølger på jordoverflaten

Figur 3. Overflatebølge på jordoverflaten. Partiklenes bevegelse er en kombinasjon av tverrgående og langsgående forskyvninger. Kilde: Giambattista, A. 2010. Fysikk. Andre. Edition. McGraw Hill.

Når du løser bølgeforlikningen, tilsvarer løsningene, som vi har sagt, forskjellige typer bølger. Når forstyrrelsen beveger seg i et solid medium som jordskorpen, er det mulig å gjøre noen antagelser om det som forenkler prosessen.

Av denne grunn anses mediet for å være perfekt elastisk, homogent og isotropisk, noe som betyr at dets egenskaper er de samme uavhengig av posisjon eller retning.

Med dette i bakhodet tilsvarer to av løsningene på bølgeforlikningen i et elastisk medium overflatebølger:

- Waves of Rayleigh, oppkalt etter Lord Rayleigh (1842-1919), den britiske fysikeren som først beskrev dem.

-Waves of Love, av Augustus Love, den britiske geofysikeren og matematikeren (1863-1940) som utviklet teorien om disse bølgene i sine elastisitetsverk.

I seismikk kalles disse bølgene L-bølger, for å skille dem fra P-bølger og S-bølger, begge ansett som volumbølger (kroppsbølger) som også er en løsning på bølgeforlikningen med forholdene beskrevet ovenfor. P-bølger er langsgående og S-bølger er tverrgående.

Eksempler på overflatebølger

Rayleigh bølger

I en Rayleigh-bølge vibrerer bølgefrontpartiklene i det vertikale planet, derfor sies de å være vertikalt polarisert. Partiklene beveger seg i en ellipse, i motsetning til bølgene på overflaten av havet, hvis bevegelse er sirkulær, som det ble sagt i begynnelsen (selv om de nær kysten er ganske elliptiske).

Ellipsens hovedakse er vertikal og mindre akse følger forplantningsretningen, som vist på figuren. Der bemerkes det også at bevegelsen er retrograd, det vil si at den utføres i retning mot klokken.

Figur 4. Rayleigh wave. Kilde: Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. Andre. Edition. Cambridge University Press.

En annen viktig forskjell med vannbølger er at Rayleigh-bølger bare kan forplante seg i faste medier, siden det er en skjærkraft som ikke forekommer i væsker.

Amplituden til partikkelforskyvningen avtar eksponentielt med dybden, siden bølgen er begrenset til overflaten, selv om det er et jordskjelv med høy intensitet, kan bølgene sirkle jorden flere ganger før de forsvinner helt. .

Bølger av kjærlighet

I Love Wave er partiklene horisontalt polariserte og har en stor bevegelses amplitude parallelt med overflaten. De beveger seg med litt lavere hastighet enn Rayleigh-bølger, selv om hastigheten i denne typen bølger avhenger av bølgelengden (spredningsbølgen).

For at disse bølgene skal forplante seg, må det være et lavhastighetslag som er lagt på minst ett lag med høyere hastighet i midten. I likhet med Rayleigh-bølger, kan kjærlighetsbølger produsert under et jordskjelv sirkle rundt jorden flere ganger før de sprer energien.

Figur 5. Bølger av kjærlighet. Kilde: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Markrull

Det er vanlig å finne denne varianten av Rayleigh-bølger, kalt bakkerull, i seismiske undersøkelsesregistre. Det regnes som støy og må unngås, fordi det på grunn av sin store amplitude noen ganger maskerer refleksjonene du ser etter.

havbølger

På stor dybde er havbølger langsgående bølger, som lyd. Dette betyr at dens utbredelsesretning er den samme som retningen som partiklene vibrerer.

Bølgen, nær overflaten, har imidlertid både langsgående og tverrgående komponenter, noe som får partiklene til å følge en nesten sirkulær bane (se figur 2 til høyre).

Figur 6. Havbølger er overflatebølger. Kilde: Pixabay.

referanser

1. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Fysikkserie for vitenskap og ingeniørvitenskap. Redigert av D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fysikk. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. Andre. Edition. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Bølger av kjærlighet. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh bølger. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Overflatebølger. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org.