FALE POWIERZCHNIOWE: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE I PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Fale powierzchniowe to takie, w których wibrujące cząstki poruszają się w dwóch wymiarach, na przykład fale powstające po wrzuceniu kamienia do stawu lub jeziora.

Ten rodzaj fali występuje na styku dwóch różnych mediów, takich jak ocean i powietrze, lub między powierzchnią Ziemi a powietrzem. Są to fale, w których cząstki doświadczają poprzecznie połączonych z podłużnymi przemieszczeniami, czyli dwuwymiarowymi.

Rysunek 1. Fale powierzchniowe w stawie. Źródło: Pixabay.

Na przykład cząsteczki wody na powierzchni oceanu - fale - poruszają się po kołowych ścieżkach. Kiedy fale rozbijają się o brzeg, przeważają przemieszczenia wzdłużne, w związku z czym wodorosty lub unoszący się kawałek drewna poruszają się płynnie od przodu do tyłu.

Fale poruszają się również po powierzchni Ziemi w sposób analogiczny do fal oceanicznych. Poruszają się z mniejszą prędkością niż fale, które poruszają się wewnętrznie w objętości Ziemi, ale są w stanie łatwiej wywołać rezonans w budynkach.

Ponieważ fale wytwarzają wibracje i przenoszą energię, mają destrukcyjny wpływ podczas trzęsień ziemi.

Rysunek 2. Fale powierzchniowe w oceanie. Cząsteczki wody poruszają się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, gdy ruch fali jest od lewej do prawej. W najwyższym punkcie znajdują się na grzbiecie fali, podczas gdy najniższy punkt nazywany jest kanałem. Źródło rysunku po lewej: F. Zapata. Źródło prawej figury: Giambattista, A. 2010. Fizyka. 2nd. Wydanie. McGraw Hill.

Rodzaje fal powierzchniowych

Każdy rodzaj fali, powierzchowny lub nie, jest rozwiązaniem równania falowego, które ma zastosowanie do prawie każdego rodzaju ruchu falowego, nie tylko mechanicznego, jak w opisanych przykładach, ale także fal elektromagnetycznych, które są różne rodzaje fal, ponieważ są one poprzeczne.

Równanie falowe, które otrzymuje się biorąc pod uwagę drugie prawo Newtona, jest zapisane w następujący sposób:

W powyższym równaniu u jest funkcją falową zależną od trzech współrzędnych przestrzennych x, y i z plus czas t: u = u (x, y, z, t). Ponadto v jest prędkością zakłócenia. Równanie falowe można określić w innych układach współrzędnych w zależności od wymaganej geometrii.

Aby znaleźć rozwiązanie równania, dostosowuje się je do warunków zadania, w których np. Wyznaczana jest geometria i ustalane są właściwości ośrodka, przez który przemieszcza się zaburzenie.

Istnieje wiele rodzajów fal powierzchniowych, takich jak:

-Fale grawitacyjne (grawitacyjne), takie jak fale oceanu opisane na początku, w których grawitacja zapewnia siłę przywracającą, która umożliwia ruch poprzeczny.

- Pęcznienie powierzchni w stawie, tutaj jest napięcie powierzchniowe wody, które oddziałuje jako siła przywracająca.

-Powierzchniowe fale elastyczne poruszające się po powierzchni Ziemi podczas trzęsienia ziemi.

-Fale elektromagnetyczne, które mimo że są poprzeczne, mogą być odpowiednio ukierunkowane, aby poruszać się po powierzchni.

-Niektóre rodzaje fal, które są wytwarzane w strunach gitary, gdy struny są uderzane z użyciem siły.

Powierzchowne fale sprężyste na powierzchni ziemi

Rysunek 3. Fala powierzchniowa na powierzchni ziemi. Ruch cząstek jest połączeniem przemieszczeń poprzecznych i wzdłużnych. Źródło: Giambattista, A. 2010. Fizyka. 2nd. Wydanie. McGraw Hill.

Rozwiązując równanie falowe, rozwiązania, jak powiedzieliśmy, odpowiadają różnym typom fal. Kiedy zaburzenie porusza się w stałym ośrodku, takim jak skorupa ziemska, można przyjąć pewne założenia, które upraszczają proces.

Z tego powodu ośrodek uważany jest za doskonale elastyczny, jednorodny i izotropowy, co oznacza, że ​​jego właściwości są takie same niezależnie od położenia czy kierunku.

Mając to na uwadze, dwa rozwiązania równania falowego w ośrodku sprężystym odpowiadają falom powierzchniowym:

- Waves of Rayleigh, nazwany na cześć lorda Rayleigha (1842-1919), brytyjskiego fizyka, który jako pierwszy je opisał.

-Waves of Love - Augustus Love, brytyjski geofizyk i matematyk (1863-1940), który rozwinął teorię tych fal w swoich pracach na temat sprężystości.

W sejsmice fale te nazywane są falami L, aby odróżnić je od fal P i fal S, obie uważane za fale objętościowe (fale ciała), które są również rozwiązaniem równania falowego z warunkami opisanymi powyżej. Fale P są podłużne, a fale S są poprzeczne.

Przykłady fal powierzchniowych

Fale Rayleigha

W fali Rayleigha cząstki czoła fali drgają w płaszczyźnie pionowej, dlatego mówi się, że są spolaryzowane pionowo. Cząsteczki poruszają się po elipsie, w przeciwieństwie do fal na powierzchni oceanu, których ruch jest kołowy, jak powiedziano na początku (chociaż w pobliżu wybrzeża są raczej eliptyczne).

Większa oś elipsy jest pionowa, a mniejsza oś podąża za kierunkiem propagacji, jak pokazano na rysunku. Tam również odnotowano, że ruch jest wsteczny, to znaczy odbywa się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Rysunek 4. Fala Rayleigha. Źródło: Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2nd. Wydanie. Cambridge University Press.

Inną ważną różnicą w stosunku do fal wodnych jest to, że fale Rayleigha mogą propagować się tylko w mediach stałych, ponieważ istnieje siła ścinająca, która nie występuje w cieczach.

Amplituda przemieszczania się cząstki maleje wykładniczo wraz z głębokością, ponieważ fala jest ograniczona do powierzchni, chociaż jeśli jest to trzęsienie ziemi o dużej intensywności, fale mogą kilkakrotnie okrążyć Ziemię, zanim całkowicie zanikną .

Fale miłości

W falach miłości cząsteczki są spolaryzowane poziomo i mają dużą amplitudę ruchu równoległego do powierzchni. Poruszają się z nieco wolniejszą prędkością niż fale Rayleigha, chociaż prędkość w tego typu falach zależy od długości fali (fala dyspersyjna).

Aby te fale mogły się rozchodzić, musi istnieć warstwa o niskiej prędkości nałożona na co najmniej jedną warstwę o wyższej prędkości w środku. Podobnie jak fale Rayleigha, fale Miłości powstałe podczas trzęsienia ziemi mogą kilkakrotnie okrążyć Ziemię, zanim rozproszą swoją energię.

Rycina 5. Fale miłości. Źródło: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Rolka po ziemi

Ten wariant fal Rayleigha, zwany kołysaniem ziemi, często znajduje się w zapisach badań sejsmicznych. Jest uważany za szum i należy go unikać, ponieważ ze względu na swoją dużą amplitudę czasami maskuje odbicia, które chcesz zobaczyć.

fale oceanu

Na dużych głębokościach fale oceaniczne są falami podłużnymi, podobnie jak fale dźwiękowe. Oznacza to, że jego kierunek propagacji jest taki sam, jak kierunek, w którym cząstki drgają.

Jednak fala, w pobliżu powierzchni, ma zarówno składową podłużną, jak i poprzeczną, powodując, że cząsteczki podążają prawie kołową ścieżką (patrz rysunek 2 po prawej).

Rysunek 6. Fale oceaniczne to fale powierzchniowe. Źródło: Pixabay.

Bibliografia

1. Figueroa, D. 2005. Fale i fizyka kwantowa. Seria Physics for Science and Engineering. Pod redakcją D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fizyka. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2nd. Wydanie. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Fale miłości. Odzyskane z: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Fale Rayleigha. Odzyskane z: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Fale powierzchniowe. Odzyskane z: en.wikipedia.org.