FALE PODŁUŻNE: CHARAKTERYSTYKA, RÓŻNICE, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Do fal podłużnych objawia się w istotnych środków w którym cząstki oscylujących równolegle do kierunku fali przemieszcza. jak widać na poniższych obrazach. To jest jego charakterystyczna cecha.

Fale dźwiękowe, pewne fale, które pojawiają się podczas trzęsienia ziemi i te, które są wytwarzane w trzęsieniu ziemi lub wiosną, gdy otrzymuje się mały impuls w tym samym kierunku swojej osi, są dobrymi przykładami tej klasy fal.

Rysunek 1. Dźwięk to podłużna fala, która powoduje kolejne uciśnięcia i rozszerzenia w powietrzu. Źródło: Wikimedia Commons. Pluke

Dźwięk jest wytwarzany, gdy przedmiot (taki jak kamertonowy kamerton figurki, instrument muzyczny lub po prostu struny głosowe) wprawia się w drgania w medium zdolnym do przenoszenia zakłóceń poprzez wibracje jego cząsteczek. Powietrze jest odpowiednim medium, ale także ciecze i ciała stałe.

Zakłócenie wielokrotnie zmienia ciśnienie i gęstość medium. W ten sposób fala wytwarza kompresje i rozszerzenia (rozrzedzenia) w cząsteczkach ośrodka, ponieważ energia porusza się z określoną prędkością v .

Te zmiany ciśnienia są odbierane przez ucho poprzez wibracje błony bębenkowej, za przekształcanie której odpowiada sieć nerwowa w maleńkie prądy elektryczne. Po dotarciu do mózgu interpretuje je jako dźwięki.

W przypadku fali podłużnej wzór, który powtarza się w sposób ciągły, nazywany jest cyklem, a jego czas trwania jest okresem fali. Istnieje również amplituda, która jest maksymalnym natężeniem i jest mierzona zgodnie z wielkością przyjmowaną jako odniesienie, w przypadku dźwięku może to być zmiana ciśnienia w ośrodku.

Innym ważnym parametrem jest długość fali: odległość między dwoma kolejnymi uciśnięciami lub rozszerzeniami, patrz rysunek 1. W systemie międzynarodowym długość fali jest mierzona w metrach. Wreszcie jest prędkość (w metrach / sekundę dla systemu międzynarodowego), która wskazuje, jak szybko energia rozchodzi się.

Jak fale podłużne pojawiają się w falach oceanu?

W ciele wodnym fale powstają z wielu przyczyn (zmiany ciśnienia, wiatry, oddziaływania grawitacyjne z innymi gwiazdami). W ten sposób fale morskie można podzielić na:

- Fale wiatru

- Pływy

- Tsunami

Opis tych fal jest dość złożony. Ogólnie rzecz biorąc, w głębokich wodach fale poruszają się wzdłużnie, powodując okresowe ściskanie i rozszerzanie się ośrodka, jak opisano na początku.

Jednak na powierzchni morza sytuacja wygląda trochę inaczej, ponieważ dominują tak zwane fale powierzchniowe, które łączą cechy fal podłużnych i poprzecznych. Dlatego fale poruszające się w głębinach środowiska wodnego różnią się znacznie od tych, które poruszają się na powierzchni.

Kłoda unosząca się na powierzchni morza porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym lub delikatnie obracającym. Rzeczywiście, kiedy fale załamują się na brzegu, dominują podłużne składniki fali, a ponieważ kłoda reaguje na ruch cząsteczek wody, które ją otaczają, obserwuje się również wchodzenie i wychodzenie na powierzchnię.

Rysunek 2. Fale morskie na powierzchni to fale częściowo podłużne, a częściowo poprzeczne. Źródło: Źródło: Vargklo at en.wikipedia

Zależność między głębokością a długością fali

Czynniki, które określają rodzaj wytwarzanej fali to: głębokość wody i długość fali morskiej. Jeśli głębokość wody w danym punkcie nazywa się d, a długość fali λ, to fale przechodzą od podłużnych do powierzchniowych, gdy:

Na powierzchni cząsteczki wody uzyskują ruchy obrotowe, które tracą wraz ze wzrostem głębokości. Tarcie masy wody o dno powoduje, że orbity te stają się eliptyczne, jak pokazano na rysunku 2.

Na plażach wody w pobliżu brzegu są bardziej niespokojne, ponieważ tam fale załamują się, cząsteczki wody na dnie są spowolnione, co powoduje, że na grzbietach gromadzi się więcej wody. Z drugiej strony w głębszych wodach można dostrzec, jak fale miękną.

Gdy d >> λ / 2 mamy fale głębokiej wody lub fale krótkie, orbity kołowe lub eliptyczne zmniejszają się i dominują fale podłużne. A jeśli d << λ / 2, fale pochodzą z wód powierzchniowych lub z fal długich.

Różnice z falami poprzecznymi

Zarówno fale podłużne, jak i poprzeczne należą do kategorii fal mechanicznych, które do rozchodzenia się wymagają medium materialnego.

Na początku wspomniano o głównym rozróżnieniu między nimi: w falach poprzecznych cząstki ośrodka poruszają się prostopadle do kierunku propagacji fali, natomiast w falach podłużnych oscylują w tym samym kierunku, po którym następuje zaburzenie. Ale są bardziej charakterystyczne cechy:

Więcej różnic między falami poprzecznymi i podłużnymi

- W fali poprzecznej wyróżnia się grzbiety i doliny, które w podłużnych są równoznaczne z uciśnięciami i rozciągnięciami.

- Inną różnicą jest to, że fale podłużne nie są spolaryzowane, ponieważ kierunek prędkości fali jest taki sam jak kierunek ruchu oscylujących cząstek.

- Fale poprzeczne mogą rozchodzić się w dowolnym ośrodku, a nawet w próżni, na przykład w falach elektromagnetycznych. Z drugiej strony, wewnątrz płynów, którym brakuje sztywności, cząsteczki nie mają innego wyjścia, jak tylko ślizgać się obok siebie i poruszać zgodnie z zaburzeniem, to znaczy wzdłuż.

W konsekwencji fale powstające w środku mas oceanicznych i atmosferycznych są podłużne, ponieważ fale poprzeczne wymagają mediów o dostatecznej sztywności, aby umożliwić charakterystyczne ruchy prostopadłe.

- Fale podłużne powodują zmiany ciśnienia i gęstości w ośrodku, przez który się rozchodzą. Z drugiej strony fale poprzeczne nie wpływają w ten sposób na ośrodek.

Podobieństwa między falami podłużnymi i poprzecznymi

Mają one wspólne części: okres, amplitudę, częstotliwość, cykle, fazę i prędkość. Wszystkie fale ulegają odbiciu, załamaniu, dyfrakcji, interferencji oraz efektowi Dopplera i przenoszą energię przez ośrodek.

Chociaż szczyty i doliny są charakterystyczne dla fali poprzecznej, kompresje w fali podłużnej są analogiczne do szczytów i rozszerzeń do dolin, w taki sposób, że obie fale dopuszczają ten sam matematyczny opis fali sinusoidalnej lub sinusoidalnej.

Przykłady fal podłużnych

Fale dźwiękowe są najbardziej typowymi falami podłużnymi i należą do najczęściej badanych, ponieważ stanowią podstawę komunikacji i ekspresji muzycznej, przyczyny ich znaczenia w życiu ludzi. Ponadto fale dźwiękowe mają ważne zastosowania w medycynie, zarówno w diagnostyce, jak i leczeniu.

Technika ultradźwiękowa jest dobrze znana między innymi z wykonywania zdjęć medycznych, a także z leczenia kamieni nerkowych. Ultradźwięki są generowane przez kryształ piezoelektryczny zdolny do wytworzenia podłużnej fali ciśnienia po przyłożeniu pola elektrycznego (wytwarza również prąd pod wpływem ciśnienia).

Aby naprawdę zobaczyć, jak wygląda fala podłużna, nie ma nic lepszego niż sprężyny śrubowe lub slinky. Podając niewielki impuls sprężynie, natychmiast obserwuje się, jak naprzemiennie rozchodzą się uciskanie i rozszerzanie podczas zwojów.

- Fale sejsmiczne

Fale podłużne są również częścią ruchów sejsmicznych. Trzęsienia ziemi składają się z różnych rodzajów fal, wśród których są fale P lub fale pierwotne i fale S lub wtórne. Te pierwsze są podłużne, podczas gdy w drugim cząstki ośrodka drgają w kierunku poprzecznym do przemieszczania się fali.

Podczas trzęsień ziemi na powierzchni wytwarzane są zarówno fale podłużne (pierwotne fale P), jak i poprzeczne (wtórne fale S), a także inne typy, takie jak fale Rayleigha i fale miłości.

W rzeczywistości fale podłużne są jedynymi znanymi falami podróżującymi przez środek Ziemi. Ponieważ poruszają się tylko w ciekłych lub gazowych mediach, naukowcy uważają, że rdzeń Ziemi składa się głównie ze stopionego żelaza.

- Ćwiczenie aplikacji

Fale P i fale S powstające podczas trzęsienia ziemi poruszają się po Ziemi z różnymi prędkościami, więc ich czasy przybycia do stacji sejsmograficznych są różne (patrz rysunek 3). Dzięki temu możliwe jest określenie odległości do epicentrum trzęsienia ziemi, poprzez triangulację, na podstawie danych z trzech lub więcej stacji.

Rysunek 3. Fale sejsmiczne P i S docierają do sejsmografów w różnym czasie, ponieważ ich prędkości są różne. Źródło: Wikimedia Commons.

Załóżmy, że v _P = 8 km / s to prędkość fal P, podczas gdy prędkość fal S wynosi v _S = 5 km / s. Fale P pojawiają się 2 minuty przed pierwszymi falami S. Jak obliczyć odległość od epicentrum?

Odpowiadać

Niech D będzie odległością między epicentrum a stacją sejsmologiczną. Na podstawie dostarczonych danych można znaleźć czas podróży t _P i t _S każdej fali:

v _P = D / t _P.

v _S = D / t _S

Różnica to Δt = t _S - t _P :

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

Rozwiązanie dla wartości D:

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

Wiedząc, że 2 minuty = 120 sekund i podstawiając pozostałe wartości:

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

Bibliografia

1. Różnica między falami poprzecznymi i podłużnymi. Odzyskane z: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Fale i fizyka kwantowa. Seria Physics for Science and Engineering. Tom 7. Pod redakcją Douglasa Figueroa. Uniwersytet Simona Bolivara. 1-58.
3. Infradźwięki i ultradźwięki. Odzyskany z: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba. 263-286.
5. Russell, D. Ruch fal podłużnych i poprzecznych. Pobrane z: acs.psu.edu.
6. Fale wodne. Źródło: labman.phys.utk.edu.