POVRCHOVÉ VLNY: VLASTNOSTI, TYPY A PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2024

Povrchové vlny jsou ty, ve kterých se vibrační částice pohybují ve dvou rozměrech, jako jsou vlny, které vznikají při pádu kamene do rybníka nebo jezera.

Tento typ vlny se vyskytuje na rozhraní mezi dvěma různými médii, jako je oceán a vzduch, nebo mezi povrchem Země a vzduchem. To jsou vlny, ve kterých částice prožívají příčné v kombinaci s podélnými posuny, tj. Dvourozměrnými.

Obrázek 1. Povrchové vlny v rybníku. Zdroj: Pixabay.

Například částice vody na hladině oceánu - vlny - se pohybují kruhovými cestami. Když se vlny rozbijí na pobřeží, převládají podélné posuny, a proto je vidět, že se mořské řasy nebo kus dřeva, který se vznáší, hladce pohybují zepředu dozadu.

Vlny se také pohybují po zemském povrchu způsobem analogickým vlnám oceánu. Cestují pomaleji než vlny, které se pohybují uvnitř zemského objemu, ale jsou schopny snáze vyvolat rezonanci v budovách.

Protože vlny vytvářejí vibrace a přenášejí energii, mají během zemětřesení destruktivní účinky.

Obrázek 2. Povrchové vlny v oceánu. Při pohybu vlny zleva doprava se částice vody pohybují ve směru hodinových ručiček. V nejvyšším bodě jsou na vrcholu vlny, zatímco nejnižší bod se nazývá kanál. Zdroj levé postavy: F. Zapata. Zdroj pravé postavy: Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2. Edice. McGraw Hill.

Druhy povrchových vln

Jakýkoli typ vlny, ať už povrchový nebo ne, je řešením vlnové rovnice, která je aplikována na téměř jakýkoli typ vlnového pohybu, nejen mechanický, jak je popsáno v příkladech, ale také elektromagnetické vlny, které jsou různé druhy vln, protože jsou příčné.

Vlnová rovnice, která je získána s ohledem na Newtonův druhý zákon, je psána takto:

Ve výše uvedené rovnici u je vlnová funkce, která závisí na třech prostorových souřadnicích x, yaz z plus čas t: u = u (x, y, z, t). Dále v je rychlost poruchy. Vlnová rovnice může být uvedena v jiných souřadných systémech v závislosti na požadované geometrii.

Pro nalezení řešení rovnice je přizpůsobeno podmínkám problému, ve kterém je například vymezena geometrie a jsou stanoveny vlastnosti média, kterým se rušivé pohyby pohybují.

Existuje mnoho typů povrchových vln, jako například:

-Gravitační vlny (gravitační vlny) jako vlny oceánu popsané na začátku, ve kterých gravitace poskytuje obnovovací sílu, která umožňuje příčný pohyb.

-Povrchový povrch v rybníku, zde je povrchové napětí vody, které působí jako obnovovací síla.

- Povrchové elastické vlny, které se během zemětřesení pohybují na zemském povrchu.

-Elektromagnetické vlny, které, i když jsou příčné, mohou být řádně vedeny, aby se pohybovaly po povrchu.

-Některé druhy vln, které jsou produkovány v strunách kytary, když jsou struny zasaženy silou.

Povrchní elastické vlny na zemském povrchu

Obrázek 3. Povrchová vlna na zemském povrchu. Pohyb částic je kombinací příčných a podélných posunů. Zdroj: Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2. Edice. McGraw Hill.

Při řešení vlnové rovnice řešení, jak jsme řekli, odpovídají různým typům vln. Když se porucha pohybuje v pevném médiu, jako je zemská kůra, je možné učinit nějaké předpoklady, které tento proces zjednodušují.

Z tohoto důvodu je médium považováno za dokonale elastické, homogenní a izotropní, což znamená, že jeho vlastnosti jsou stejné bez ohledu na polohu nebo směr.

S ohledem na to dvě řešení vlnové rovnice v elastickém médiu odpovídají povrchovým vlnám:

- Vlny Rayleigha, pojmenované po lordovi Rayleighovi (1842-1919), britský fyzik, který je poprvé popsal.

-Waves of Love, Augustus Love, britský geofyzik a matematik (1863-1940), který vyvinul teorii těchto vln ve svých dílech o elasticitě.

V seismickém stavu se tyto vlny nazývají L vlny, které je odlišují od P vln a S vln, obě považovány za objemové vlny (tělesné vlny), které jsou také řešením vlnové rovnice s podmínkami popsanými výše. P vlny jsou podélné a S vlny jsou příčné.

Příklady povrchových vln

Rayleigh vlny

V Rayleighově vlně částice vlnobití vibrují ve vertikální rovině, proto se říká, že jsou vertikálně polarizované. Částice se pohybují elipsou, na rozdíl od vln na povrchu oceánu, jejichž pohyb je kruhový, jak bylo řečeno na začátku (ačkoli u pobřeží jsou spíše eliptické).

Hlavní osa elipsy je svislá a vedlejší osa sleduje směr šíření, jak je znázorněno na obrázku. Tam je také poznamenáno, že pohyb je retrográdní, to znamená, že je prováděn proti směru hodinových ručiček.

Obrázek 4. Rayleighova vlna. Zdroj: Lowrie, W. 2007. Základy geofyziky. 2. Edice. Cambridge University Press.

Dalším důležitým rozdílem s vodními vlnami je to, že Rayleighovy vlny se mohou šířit pouze v pevném médiu, protože v kapalinách nedochází ke střižné síle.

Amplituda přemístění částice klesá exponenciálně s hloubkou, protože vlna je omezena na povrch, i když je to zemětřesení o vysoké intenzitě, vlny mohou kroužit Zemi několikrát, než úplně zmizí.

Vlny lásky

Ve vlnách lásky jsou částice horizontálně polarizované a mají velkou amplitudu pohybu rovnoběžnou s povrchem. Pohybují se o něco pomalejší rychlostí než Rayleighovy vlny, ačkoli rychlost v těchto typech vln závisí na vlnové délce (disperzní vlně).

Aby se tyto vlny mohly šířit, musí být na alespoň jedné vyšší rychlosti uprostřed položena vrstva nízkých rychlostí. Stejně jako Rayleighovy vlny mohou i milostné vlny vytvořené během zemětřesení kroužit Zemi několikrát, než rozptýlí svou energii.

Obrázek 5. Vlny lásky. Zdroj: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Broušení

Je běžné najít tuto variantu Rayleighových vln, zvanou zemní roll, v seismických průzkumných záznamech. Je považován za šum a je třeba se mu vyhnout, protože kvůli jeho velké amplitudě někdy maskuje odrazy, které hledáte.

vlny oceánu

Ve velké hloubce jsou mořské vlny podélné vlny, podobné vlnám zvuku. To znamená, že směr jeho šíření je stejný jako směr, ve kterém částice vibrují.

Vlna blízko povrchu má však jak podélné, tak i příčné složky, což způsobuje, že částice sledují téměř kruhovou cestu (viz obrázek 2 vpravo).

Obrázek 6. Oceánské vlny jsou povrchové vlny. Zdroj: Pixabay.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Vlny a kvantová fyzika. Fyzikální série pro vědu a techniku. Editoval D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fyzika. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Základy geofyziky. 2. Edice. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Vlny lásky. Obnoveno z: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh vlny. Obnoveno z: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Povrchové vlny. Obnoveno z: en.wikipedia.org.