Lahko si predstavljate, kaj so mehanski valovi, če vržete kamen v vodo. Krogi, ki se pojavljajo na njem in so izmenična korita in grebeni, so primer mehanskih valov. Kaj je njihovo bistvo? Mehanski valovi so proces širjenja vibracij v elastičnem mediju.
Valovi na tekočih površinah
Takšni mehanski valovi obstajajo zaradi vpliva medmolekulskih sil in gravitacije na delce tekočine. Ljudje že dolgo preučujejo ta pojav. Najbolj opazni so oceanski in morski valovi. Ko se hitrost vetra povečuje, se spreminjajo in njihova višina se povečuje. Tudi sama oblika valov postane bolj zapletena. V oceanu lahko dosežejo zastrašujoče razsežnosti. Eden najjasnih primerov sile je cunami, ki pomete vse na svoji poti.
Energija morskih in oceanskih valov
Ko dosežejo obalo, se morski valovi povečajo z močno spremembo globine. Včasih dosežejo višino nekaj metrov. V takih trenutkih se kinetična energija ogromne vodne mase prenese na obalne ovire, ki se pod njenim vplivom hitro uničijo. Moč surfanja včasih doseže veličastne vrednosti.
Elastični valovi
V mehaniki se ne preučujejo samo vibracije na površini tekočine, ampak tudi tako imenovani elastični valovi. To so motnje, ki se širijo v različnih medijih pod delovanjem elastičnih sil v njih. Takšna motnja je vsak odklon delcev danega medija od ravnotežnega položaja. Dober primer elastičnih valov je dolga vrv ali gumijasta cev, pritrjena na nekaj na enem koncu. Če jo močno povlečete in nato s stranskim ostrim gibom ustvarite motnjo na njenem drugem (nefiksnem) koncu, lahko vidite, kako "teče" po celotni dolžini vrvi do opore in se odbija nazaj.
Vir mehanskih valov
Začetna motnja vodi do pojava vala v mediju. Povzroča ga delovanje nekega tujka, ki mu v fiziki pravimo vir valovanja. Lahko je roka osebe, ki zamahne z vrvjo, ali kamenček, vržen v vodo. V primeru, ko je delovanje vira kratkotrajno, se v mediju pogosto pojavi osamljen val. Ko "motilec" naredi dolge oscilatorne gibe, se začnejo valovi pojavljati drug za drugim.
Pogoji za nastanek mehanskih valov
Ta vrsta nihanja se ne oblikuje vedno. Pomemben pogoj za njihov videz je pojav v trenutku motnje medija sil, ki mu preprečujejo, zlasti elastičnost. Sosednje delce nagibajo k zbliževanju, ko se odmikajo, in jih odrivajo drug od drugega, ko se približujejo. Prožne sile, ki delujejo na oddaljeno odvir motenj delcev, jih začnejo prinesti iz ravnovesja. Sčasoma so vsi delci medija vključeni v eno nihajno gibanje. Širjenje takšnih nihanj je val.
Mehanski valovi v elastičnem mediju
V elastičnem valu obstajata 2 vrsti gibanja hkrati: nihanje delcev in širjenje motenj. Vzdolžni val je mehanski val, katerega delci nihajo vzdolž smeri njegovega širjenja. Prečni val je val, katerega srednji delci nihajo v smeri njegovega širjenja.
Lastnosti mehanskih valov
Motnje v vzdolžnem valu so redčenje in stiskanje, v prečnem valu pa so premiki (premiki) nekaterih plasti medija glede na druge. Kompresijsko deformacijo spremlja pojav elastičnih sil. V tem primeru je strižna deformacija povezana s pojavom elastičnih sil izključno v trdnih snoveh. V plinastih in tekočih medijih premikanja plasti teh medijev ne spremlja pojav omenjene sile. Zaradi svojih lastnosti se lahko vzdolžni valovi širijo v katerem koli mediju, medtem ko se prečni valovi lahko širijo samo v trdnih snoveh.
Lastnosti valov na površini tekočin
Valovi na površini tekočine niso niti vzdolžni niti prečni. Imajo bolj zapleten, tako imenovan vzdolžno-prečni značaj. V tem primeru se delci tekočine premikajo v krogu ali vzdolž podolgovatih elips. Krožno gibanje delcev na površini tekočine, zlasti med velikimi nihanji, spremlja njihovo počasno, a neprekinjenopremikanje v smeri širjenja valov. Prav te lastnosti mehanskih valov v vodi povzročajo pojav različnih morskih sadežev na obali.
frekvenca mehanskih valov
Če je v elastičnem mediju (tekočem, trdnem, plinastem) vzbujena vibracija njegovih delcev, se bo zaradi interakcije med njimi širila s hitrostjo u. Torej, če je nihajoče telo v plinastem ali tekočem mediju, se bo njegovo gibanje začelo prenašati na vse delce v bližini. V proces bodo vključili naslednje in tako naprej. V tem primeru bodo popolnoma vse točke medija začele nihati z enako frekvenco, enako frekvenci nihajnega telesa. To je frekvenca valovanja. Z drugimi besedami, to vrednost lahko označimo kot frekvenco nihanja točk v mediju, kjer se val širi.
Morda ne bo takoj jasno, kako poteka ta postopek. Mehanski valovi so povezani s prenosom energije nihajnega gibanja od vira do obrobja medija. Posledično nastanejo tako imenovane periodične deformacije, ki jih val prenaša z ene točke na drugo. V tem primeru se delci medija sami ne premikajo skupaj z valom. Nihajo blizu svojega ravnotežnega položaja. Zato širjenje mehanskega vala ne spremlja prenos snovi z enega mesta na drugega. Mehanski valovi imajo različne frekvence. Zato so jih razdelili na razpone in ustvarili posebno lestvico. Frekvenca se meri v hercih (Hz).
Osnovne formule
Mehanski valovi, katerih formule za izračun so precej preproste, so zanimiv predmet za preučevanje. Hitrost valovanja (υ) je hitrost njegovega sprednjega gibanja (mesto vseh točk, do katerih je v tem trenutku doseglo nihanje medija):
υ=√G/ ρ, kjer je ρ gostota medija, G je modul elastičnosti.
Pri izračunu ne zamenjujte hitrosti mehanskega valovanja v mediju s hitrostjo gibanja delcev medija, ki sodelujejo v valovnem procesu. Tako se na primer zvočni val v zraku širi s povprečno vibracijsko hitrostjo njegovih molekul 10 m/s, medtem ko je hitrost zvočnega vala v normalnih pogojih 330 m/s.
Valna fronta je na voljo v številnih oblikah, med katerimi so najpreprostejše:
• Sferična - nastane zaradi nihanj v plinastem ali tekočem mediju. V tem primeru se amplituda vala zmanjša z oddaljenostjo od vira v obratnem sorazmerju s kvadratom razdalje.
• Ravna - je ravnina, ki je pravokotna na smer širjenja valov. Pojavi se na primer v zaprtem batnem cilindru, ko niha. Za ravni val je značilna skoraj konstantna amplituda. Njegovo rahlo zmanjšanje z oddaljenostjo od vira motnje je povezano s stopnjo viskoznosti plinastega ali tekočega medija.
valovna dolžina
Pod valovno dolžino se razume razdalja, po kateri se bo njena fronta premaknila v času, koje enako obdobju nihanja delcev medija:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, kjer je T obdobje nihanja, υ je valovna hitrost, ω je ciklična frekvenca, ν je frekvenca nihanja srednjih točk.
Ker je hitrost širjenja mehanskega vala popolnoma odvisna od lastnosti medija, se njegova dolžina λ spreminja med prehodom iz enega medija v drugega. V tem primeru ostane frekvenca nihanja ν vedno enaka. Mehanski in elektromagnetni valovi so si podobni po tem, da se pri širjenju energija prenaša, vendar se prenaša ne glede na to.
