Varat iedomāties, kas ir mehāniskie viļņi, iemetot akmeni ūdenī. Apļi, kas parādās uz tā un ir mainīgas siles un grēdas, ir mehānisko viļņu piemērs. Kāda ir to būtība? Mehāniskie viļņi ir vibrācijas izplatīšanās process elastīgā vidē.
Viļņi uz šķidrām virsmām
Šādi mehāniski viļņi pastāv, pateicoties starpmolekulāro spēku un gravitācijas ietekmei uz šķidruma daļiņām. Cilvēki ir pētījuši šo fenomenu jau ilgu laiku. Visievērojamākie ir okeāna un jūras viļņi. Palielinoties vēja ātrumam, tie mainās un palielinās to augstums. Sarežģītāka kļūst arī pašu viļņu forma. Okeānā tie var sasniegt biedējošus apmērus. Viens no spilgtākajiem spēka piemēriem ir cunami, kas aizslauc visu savā ceļā.
Jūras un okeāna viļņu enerģija
Sasniedzot krastu, jūras viļņi palielinās, strauji mainoties dziļumam. Dažreiz tie sasniedz vairāku metru augstumu. Šādos brīžos kolosālas ūdens masas kinētiskā enerģija tiek pārnesta uz piekrastes šķēršļiem, kas tās ietekmē ātri tiek iznīcināti. Sērfošanas spēks dažkārt sasniedz grandiozas vērtības.
Elastīgie viļņi
Mehānikā tiek pētītas ne tikai vibrācijas uz šķidruma virsmas, bet arī tā sauktie elastīgie viļņi. Tie ir traucējumi, kas izplatās dažādos medijos tajos esošo elastīgo spēku ietekmē. Šāda perturbācija ir jebkura dotās vides daļiņu novirze no līdzsvara stāvokļa. Labs elastīgo viļņu piemērs ir gara virve vai gumijas caurule, kas piestiprināta kaut kam vienā galā. Ja jūs to cieši pievelciet un pēc tam ar asu kustību uz sāniem izveidojat traucējumus tā otrajā (nefiksētajā) galā, jūs varat redzēt, kā tas "skrien" visā virves garumā līdz balstam un atspīd atpakaļ.
Mehānisko viļņu avots
Sākotnējā perturbācija noved pie viļņa parādīšanās vidē. To izraisa kāda svešķermeņa darbība, ko fizikā sauc par viļņa avotu. Tā var būt cilvēka roka, kas šūpo virvi, vai ūdenī iemests akmentiņš. Gadījumā, ja avota darbība ir īslaicīga, vidē bieži parādās vientuļš vilnis. Kad “traucētājs” veic ilgas svārstīgas kustības, viens pēc otra sāk parādīties viļņi.
Mehānisko viļņu rašanās nosacījumi
Šāda veida svārstības ne vienmēr veidojas. Nepieciešams to parādīšanās nosacījums ir spēku, kas to novērš, traucējumu, jo īpaši elastības, rašanās brīdī. Viņiem ir tendence tuvināt blakus esošās daļiņas, kad tās attālinās, un atstumt tās vienu no otras, kad tās tuvojas viena otrai. Elastīgie spēki, kas iedarbojas uz tālu nodaļiņu traucējumu avots, sāk tās izvest no līdzsvara. Laika gaitā visas barotnes daļiņas tiek iesaistītas vienā svārstību kustībā. Šādu svārstību izplatīšanās ir vilnis.
Mehāniskie viļņi elastīgā vidē
Elastīgā vilnī vienlaikus ir 2 kustības veidi: daļiņu svārstības un traucējumu izplatīšanās. Gareniskais vilnis ir mehānisks vilnis, kura daļiņas svārstās tā izplatīšanās virzienā. Šķērsvilnis ir vilnis, kura vidējās daļiņas svārstās pāri tā izplatīšanās virzienam.
Mehānisko viļņu īpašības
Perturbācijas garenvirzienā ir retināšana un saspiešana, savukārt šķērsviļņā tās ir dažu vides slāņu nobīdes (pārvietošanās) attiecībā pret citiem. Kompresijas deformāciju pavada elastīgo spēku parādīšanās. Šajā gadījumā bīdes deformācija ir saistīta ar elastīgo spēku parādīšanos tikai cietās vielās. Gāzveida un šķidrās vidēs šo vidi slāņu nobīdi nepavada minētā spēka parādīšanās. Pateicoties savām īpašībām, gareniskie viļņi var izplatīties jebkurā vidē, savukārt šķērsviļņi var izplatīties tikai cietās vielās.
Viļņu pazīmes uz šķidrumu virsmas
Viļņi uz šķidruma virsmas nav ne gareniski, ne šķērsvirzienā. Viņiem ir sarežģītāks, tā sauktais garenvirziena šķērsvirziena raksturs. Šajā gadījumā šķidruma daļiņas pārvietojas pa apli vai gar iegarenām elipsēm. Daļiņu apļveida kustības uz šķidruma virsmas, īpaši lielu svārstību laikā, pavada to lēnas, bet nepārtrauktaskas pārvietojas viļņu izplatīšanās virzienā. Tieši šīs mehānisko viļņu īpašības ūdenī izraisa dažādu jūras velšu parādīšanos krastā.
Mehānisko viļņu frekvence
Ja elastīgā vidē (šķidrumā, cietā, gāzveida) tiek ierosināta tās daļiņu vibrācija, tad to savstarpējās mijiedarbības dēļ tā izplatīsies ar ātrumu u. Tātad, ja oscilējošs ķermenis atrodas gāzveida vai šķidrā vidē, tad tā kustība sāks pārnest uz visām tai blakus esošajām daļiņām. Viņi iesaistīs procesā nākamos un tā tālāk. Šajā gadījumā absolūti visi vides punkti sāks svārstīties ar tādu pašu frekvenci, kas ir vienāda ar svārstīgā ķermeņa frekvenci. Tā ir viļņa frekvence. Citiem vārdiem sakot, šo vērtību var raksturot kā to vides punktu svārstību frekvenci, kuros izplatās vilnis.
Var nebūt uzreiz skaidrs, kā šis process notiek. Mehāniskie viļņi ir saistīti ar svārstību kustības enerģijas pārnešanu no tās avota uz vides perifēriju. Rezultātā rodas tā saucamās periodiskās deformācijas, kuras vilnis pārnes no viena punkta uz otru. Šajā gadījumā pašas barotnes daļiņas nepārvietojas kopā ar vilni. Tie svārstās tuvu līdzsvara stāvoklim. Tāpēc mehāniskā viļņa izplatīšanos nepavada vielas pārnešana no vienas vietas uz citu. Mehāniskajiem viļņiem ir dažādas frekvences. Tāpēc tie tika sadalīti diapazonos un izveidoja īpašu skalu. Frekvenci mēra hercos (Hz).
Pamatformulas
Mehāniskie viļņi, kuru aprēķinu formulas ir diezgan vienkāršas, ir interesants izpētes objekts. Viļņa ātrums (υ) ir tā priekšējās kustības ātrums (visu punktu lokuss, līdz kuram šobrīd ir sasniegusi vides svārstības):
υ=√G/ρ, kur ρ ir vides blīvums, G ir elastības modulis.
Aprēķinot, nejauciet mehāniskā viļņa ātrumu vidē ar vides daļiņu kustības ātrumu, kas ir iesaistītas viļņu procesā. Tā, piemēram, skaņas vilnis gaisā izplatās ar tā molekulu vidējo vibrācijas ātrumu 10 m/s, bet skaņas viļņa ātrums normālos apstākļos ir 330 m/s.
Viļņu fronte ir daudzos veidos, no kuriem vienkāršākie ir:
• Sfērisks - izraisa svārstības gāzveida vai šķidrā vidē. Šajā gadījumā viļņa amplitūda samazinās līdz ar attālumu no avota apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam.
• Plakana - ir plakne, kas ir perpendikulāra viļņu izplatīšanās virzienam. Tas notiek, piemēram, slēgtā virzuļa cilindrā, kad tas svārstās. Plaknes vilni raksturo gandrīz nemainīga amplitūda. Tās nelielais samazinājums līdz ar attālumu no traucējumu avota ir saistīts ar gāzveida vai šķidrās vides viskozitātes pakāpi.
Viļņa garums
Zem viļņa garuma tiek saprasts attālums, kādā tā fronte virzīsies laikā, kadir vienāds ar vides daļiņu svārstību periodu:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, kur T ir svārstību periods, υ ir viļņa ātrums, ω ir cikliskā frekvence, ν ir vidējo punktu svārstību frekvence.
Tā kā mehāniskā viļņa izplatīšanās ātrums ir pilnībā atkarīgs no vides īpašībām, tā garums λ mainās, pārejot no vienas vides uz otru. Šajā gadījumā svārstību frekvence ν vienmēr paliek nemainīga. Mehāniskie un elektromagnētiskie viļņi ir līdzīgi ar to, ka, tiem izplatoties, tiek pārnesta enerģija, bet netiek pārnesta viela.
