PODÉLNÉ VLNY: VLASTNOSTI, ROZDÍLY, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Tyto podélné vlny se projevují v materiálových prostředků, ve kterých částice kmitají paralelně se směrem vlna cestuje. jak uvidíme na následujících obrázcích. To je jeho charakteristický rys.

Zvukové vlny, určité vlny, které se objevují během zemětřesení, a vlny, které se vytvářejí ve slinky nebo na jaře, když je vydán malý impuls ve stejném směru své osy, jsou dobrými příklady této třídy vln.

Obrázek 1. Zvuk je podélná vlna, která způsobuje postupné stlačování a expanze ve vzduchu. Zdroj: Wikimedia Commons. Pluke

Zvuk je produkován, když je objekt (jako je ladička vidlice, hudební nástroj nebo jednoduše hlasité šňůry) vytvořen k vibracím v médiu schopném přenášet rušení prostřednictvím vibrací jeho molekul. Vhodným médiem je vzduch, ale také kapaliny a pevné látky.

Porucha opakovaně mění tlak a hustotu média. Tímto způsobem vlna vytváří komprese a expanze (vzácné frakce) v molekulách média, protože energie se pohybuje určitou rychlostí v.

Tyto změny tlaku jsou uchem vnímány prostřednictvím vibrací v ušním bubínku, které je nervová síť zodpovědná za přeměnu na malé elektrické proudy. Po dosažení mozku je interpretuje jako zvuky.

V podélné vlně se vzorec, který se nepřetržitě opakuje, nazývá cyklus a jeho trvání je perioda vlny. K dispozici je také amplituda, která je maximální intenzitou a která se měří podle velikosti, která se bere jako referenční, v případě zvuku to může být změna tlaku v médiu.

Dalším důležitým parametrem je vlnová délka: vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími kompresemi nebo expanzemi, viz obrázek 1. V mezinárodním systému je vlnová délka měřena v metrech. Konečně je zde jeho rychlost (v metrech za sekundu pro mezinárodní systém), která ukazuje, jak rychle se energie šíří.

Jak se v mořských vlnách objevují podélné vlny?

Ve vodním těle jsou vlny vytvářeny mnoha příčinami (změny tlaku, vítr, gravitační interakce s jinými hvězdami). Tímto způsobem lze mořské vlny rozdělit na:

- Větrné vlny

- Příliv a odliv

- Tsunami

Popis těchto vln je poměrně složitý. Obecně se v hlubokých vodách vlny pohybují podélně a vytvářejí periodické komprese a expanze média, jak je popsáno na začátku.

Na hladině moře se však věci trochu liší, protože zde převládají tzv. Povrchové vlny, které kombinují vlastnosti podélných a příčných vln. Vlny, které se pohybují v hloubkách vodního prostředí, se proto velmi liší od vln, které se pohybují po povrchu.

Kláda plovoucí na hladině moře má určitý druh vratného nebo jemně rotujícího pohybu. Ve skutečnosti, když se vlny rozbijí na pobřeží, převládají podélné složky vlny, a jak log reaguje na pohyb molekul vody, které jej obklopují, je také pozorováno, jak přichází a odchází na povrch.

Obrázek 2. Mořské vlny na povrchu jsou vlny, které mají částečně podélné vlnové charakteristiky a částečně příčné. Zdroj: Zdroj: Vargklo na en.wikipedia

Vztah mezi hloubkou a vlnovou délkou

Faktory, které určují typ vytvářené vlny, jsou: hloubka vody a vlnová délka mořské vlny. Pokud se hloubka vody v daném bodě nazývá d a vlnová délka je λ, vlny přecházejí od podélné k povrchové, když:

Na povrchu molekuly vody získávají rotační pohyby, které ztratí při zvětšování hloubky. Tření vodní hmoty se dnem způsobí, že se tyto dráhy stanou eliptickými, jak je znázorněno na obrázku 2.

Na plážích jsou vody v blízkosti pobřeží neklidnější, protože vlny se rozbijí, částice vody se na dně zpomalí a to způsobí, že se na hřebenech hromadí více vody. V hlubších vodách je naopak vnímáno, jak vlny zjemňují.

Když d >> λ / 2, máme hluboké nebo krátké vlny, zmenšují se kruhové nebo eliptické dráhy a převládají podélné vlny. A pokud d << λ / 2, vlny jsou z povrchových vod nebo dlouhých vln.

Rozdíly ve smykových vlnách

Jak podélné, tak i příčné vlny spadají do kategorie mechanických vln, které pro své šíření vyžadují materiální médium.

Hlavní rozdíl mezi nimi byl zmíněn na začátku: v příčných vlnách se částice média pohybují kolmo ke směru šíření vlny, zatímco v podélných vlnách oscilují ve stejném směru, po kterém následuje rušení. Existují však další charakteristické rysy:

Více rozdílů mezi příčnými a podélnými vlnami

- V příčné vlně se rozlišují hřebeny a údolí, která jsou v podélných rovna kompresi a expanzi.

- Další rozdíl spočívá v tom, že podélné vlny nejsou polarizovány, protože směr rychlosti vlny je stejný jako směr pohybu oscilačních částic.

- Příčné vlny se mohou šířit v jakémkoli médiu a dokonce i ve vakuu, jako jsou elektromagnetické vlny. Na druhé straně, uvnitř tekutin, postrádající tuhost, částice nemají jinou možnost než se klouzat kolem sebe a pohybovat se tak, jak to ruší, tj. Podélně.

V důsledku toho jsou vlny vznikající uprostřed oceánských a atmosférických hmot podélné, protože příčné vlny vyžadují média s dostatečnou tuhostí, aby umožnily charakteristické kolmé pohyby.

- Podélné vlny způsobují změny tlaku a hustoty média, kterým se šíří. Na druhé straně příčné vlny tímto způsobem médium neovlivňují.

Podobnosti mezi podélnými a příčnými vlnami

Mají stejné části společné: perioda, amplituda, frekvence, cykly, fáze a rychlost. Všechny vlny procházejí odrazem, lomem, difrakcí, interferencí a Dopplerovým efektem a přenášejí energii skrz médium.

I když vrcholy a údolí jsou charakteristické pro příčnou vlnu, komprese v podélné vlně jsou analogické vrcholům a expanzím do údolí, takže obě vlny připouštějí stejný matematický popis sinusové vlny nebo sinusové vlny.

Příklady podélných vln

Zvukové vlny jsou nejtypičtějšími podélnými vlnami a patří k nejstudovanějším, protože jsou základem komunikace a hudebního projevu, důvody jejich důležitosti v životě lidí. Zvukové vlny mají navíc v medicíně důležité aplikace, a to jak při diagnostice, tak při léčbě.

Ultrazvuková technika je mimo jiné dobře známa pro získávání lékařských obrazů a pro léčení ledvinových kamenů. Ultrazvuk je generován piezoelektrickým krystalem, který je schopen vytvořit podélnou tlakovou vlnu, když je aplikováno elektrické pole (také vytváří proud, když je aplikován tlak).

Chcete-li opravdu vidět, jak vypadá podélná vlna, nic lepšího než vinuté pružiny nebo slinky. Dává-li pružině malý impuls, je okamžitě vidět, jak se během zatáčky střídavě šíří komprese a expanze.

- Seismické vlny

Podélné vlny jsou také součástí seismických pohybů. Zemětřesení sestává z různých druhů vln, mezi nimiž jsou P nebo primární vlny a S nebo sekundární vlny. První z nich je podélný, zatímco v druhém případě částice média vibrují ve směru příčném k posunutí vlny.

Při zemětřeseních jsou na povrchu vytvářeny jak podélné vlny (primární P vlny), tak i příčné vlny (sekundární S vlny) a další typy, jako jsou Rayleighovy vlny a Loveovy vlny.

Ve skutečnosti jsou podélné vlny jediné, o nichž je známo, že cestují středem Země. Protože se pohybují pouze v kapalných nebo plynných médiích, vědci si myslí, že jádro Země je složeno hlavně z roztaveného železa.

- Aplikační cvičení

Vlny P a vlny S vznikající během zemětřesení se pohybují různými rychlostmi na Zemi, takže jejich časy příjezdu na seismografické stanice jsou odlišné (viz obrázek 3). Díky tomu je možné určit vzdálenost k epicentru zemětřesení pomocí triangulace pomocí dat ze tří nebo více stanic.

Obrázek 3. Seismické vlny P a S přicházejí na seismografy v různých časech, protože jejich rychlosti jsou různé. Zdroj: Wikimedia Commons.

Předpokládejme, že v _P = 8 km / s je rychlost P vln, zatímco rychlost S vln je v _S = 5 km / s. Vlny P dorazí 2 minuty před prvními vlnami S. Jak vypočítat vzdálenost od epicentra?

Odpověď

Nechť D je vzdálenost mezi epicentrem a seismologickou stanicí. S dodanými údaji lze najít dobu cestování t _P a t _S každé vlny:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Rozdíl je Δt = t _S - t _P:

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

Řešení pro hodnotu D:

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

S vědomím, že 2 minuty = 120 sekund a nahrazením zbývajících hodnot:

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

Reference

1. Rozdíl mezi příčnými a podélnými vlnami. Obnoveno z: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Vlny a kvantová fyzika. Fyzikální série pro vědu a techniku. Svazek 7. Editoval Douglas Figueroa. Univerzita Simona Bolivara. 1-58.
3. Infrazvuk a ultrazvuk. Obnoveno z: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Podélný a příčný vlnový pohyb. Citováno z: acs.psu.edu.
6. Vodní vlny. Citováno z: labman.phys.utk.edu.