می توانید تصور کنید که امواج مکانیکی با پرتاب یک سنگ در آب چیست. دایره هایی که بر روی آن ظاهر می شوند و به صورت شیارها و برجستگی های متناوب هستند، نمونه ای از امواج مکانیکی هستند. جوهر آنها چیست؟ امواج مکانیکی فرآیند انتشار ارتعاش در محیط الاستیک هستند.
امواج روی سطوح مایع
چنین امواج مکانیکی به دلیل تأثیر نیروهای بین مولکولی و گرانش بر ذرات یک مایع وجود دارد. مردم برای مدت طولانی در حال مطالعه این پدیده بوده اند. قابل توجه ترین امواج اقیانوس و دریا هستند. با افزایش سرعت باد، آنها تغییر می کنند و ارتفاع آنها افزایش می یابد. شکل خود امواج نیز پیچیده تر می شود. در اقیانوس، آنها می توانند به ابعاد ترسناکی برسند. یکی از واضح‌ترین نمونه‌های نیرو، سونامی است که هر چیزی را که در مسیرش باشد با خود می‌برد.
انرژی امواج دریا و اقیانوس
با رسیدن به ساحل، امواج دریا با تغییر شدید عمق افزایش می یابد. ارتفاع آنها گاهی به چندین متر می رسد. در چنین لحظاتی، انرژی جنبشی توده عظیم آب به موانع ساحلی منتقل می شود که تحت تأثیر آن به سرعت از بین می روند. قدرت موج سواری گاهی اوقات به مقادیر بزرگی می رسد.
امواج الاستیک
در مکانیک نه تنها ارتعاشات روی سطح مایع، بلکه امواج به اصطلاح الاستیک نیز مورد مطالعه قرار می گیرد. اینها آشفتگی هایی هستند که در محیط های مختلف تحت تأثیر نیروهای الاستیک موجود در آنها منتشر می شوند. چنین آشفتگی عبارت است از هرگونه انحراف ذرات یک محیط معین از موقعیت تعادل. یک مثال خوب از امواج الاستیک، طناب بلند یا لوله لاستیکی است که در یک انتها به چیزی متصل است. اگر آن را محکم بکشید، و سپس با یک حرکت تیز جانبی در انتهای دوم (غیر ثابت) آن اختلال ایجاد کنید، می‌توانید ببینید که چگونه در تمام طول طناب به سمت تکیه‌گاه می‌رود و به عقب منعکس می‌شود.
منبع امواج مکانیکی
آشفتگی اولیه منجر به ظهور موجی در محیط می شود. ناشی از عمل یک جسم خارجی است که در فیزیک به آن منبع موج می گویند. این می تواند دست شخصی باشد که طناب را تاب می دهد، یا سنگریزه ای باشد که در آب پرتاب شده است. در مواردی که عملکرد منبع کوتاه مدت است، یک موج انفرادی اغلب در رسانه ظاهر می شود. هنگامی که "مضطرب" حرکات نوسانی طولانی انجام می دهد، امواج یکی پس از دیگری ظاهر می شوند.
شرایط وقوع امواج مکانیکی
این نوع نوسان همیشه شکل نمی گیرد. شرط لازم برای ظهور آنها، وقوع در لحظه اغتشاش نیروهایی است که از آن جلوگیری می کند، به ویژه کشش. آنها تمایل دارند ذرات همسایه را وقتی از هم دور می شوند به هم نزدیک کنند و وقتی به یکدیگر نزدیک می شوند آنها را از یکدیگر دور می کنند. نیروهای الاستیکی که بر روی دور ازمنبع آشفتگی ذرات، شروع به خارج کردن آنها از تعادل کنید. با گذشت زمان، تمام ذرات محیط در یک حرکت نوسانی درگیر می شوند. انتشار چنین نوساناتی موج است.
امواج مکانیکی در یک محیط الاستیک
در یک موج الاستیک، ۲ نوع حرکت به طور همزمان وجود دارد: نوسانات ذرات و انتشار آشفتگی. موج طولی یک موج مکانیکی است که ذرات آن در جهت انتشار آن در نوسان هستند. موج عرضی موجی است که ذرات متوسط آن در جهت انتشار آن در نوسان هستند.
خواص امواج مکانیکی
آشفتگی در یک موج طولی نادر و فشرده است و در موج عرضی به صورت جابجایی (جابجایی) برخی از لایه های محیط نسبت به لایه های دیگر است. تغییر شکل فشاری با ظهور نیروهای الاستیک همراه است. در این حالت، تغییر شکل برشی با ظهور نیروهای الاستیک منحصراً در جامدات همراه است. در محیط های گازی و مایع جابجایی لایه های این محیط ها با ظهور نیروی مذکور همراه نیست. امواج طولی به دلیل خواصی که دارند می توانند در هر محیطی منتشر شوند، در حالی که امواج عرضی فقط در جامدات می توانند منتشر شوند.
ویژگی امواج در سطح مایعات
امواج روی سطح مایع نه طولی هستند و نه عرضی. آنها یک شخصیت پیچیده تر، به اصطلاح طولی عرضی دارند. در این حالت، ذرات سیال به صورت دایره ای یا در امتداد بیضی های کشیده حرکت می کنند. حرکات دایره ای ذرات روی سطح مایع و به ویژه در هنگام نوسانات بزرگ با آهسته اما پیوسته آنها همراه است.حرکت در جهت انتشار موج این خواص امواج مکانیکی در آب است که باعث پیدایش غذاهای دریایی مختلف در ساحل می شود.
فرکانس موج مکانیکی
اگر در یک محیط کشسان (مایع، جامد، گاز) ارتعاش ذرات آن برانگیخته شود، به دلیل برهمکنش بین آنها، با سرعت u منتشر می شود. بنابراین، اگر یک جسم در حال نوسان در یک محیط گازی یا مایع باشد، حرکت آن شروع به انتقال به تمام ذرات مجاور آن می کند. آنها افراد بعدی را در این فرآیند مشارکت خواهند داد و غیره. در این حالت، مطلقاً تمام نقاط محیط با فرکانس یکسان، برابر با فرکانس جسم در حال نوسان، شروع به نوسان خواهند کرد. فرکانس موج است. به عبارت دیگر، این مقدار را می توان به عنوان فرکانس نوسان نقاط در محیطی که موج در آن منتشر می شود مشخص کرد.
ممکن است فوراً مشخص نباشد که این فرآیند چگونه رخ می دهد. امواج مکانیکی با انتقال انرژی حرکت نوسانی از منبع آن به حاشیه محیط همراه است. در نتیجه، به اصطلاح تغییر شکل های دوره ای ایجاد می شود که توسط موج از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می شود. در این حالت خود ذرات محیط همراه با موج حرکت نمی کنند. آنها نزدیک به موقعیت تعادل خود نوسان می کنند. به همین دلیل است که انتشار موج مکانیکی با انتقال ماده از مکانی به مکان دیگر همراه نیست. امواج مکانیکی فرکانس های متفاوتی دارند. بنابراین آنها را به محدوده تقسیم کردند و مقیاس خاصی ایجاد کردند. فرکانس با هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود.
فرمولهای پایه
امواج مکانیکی که فرمول محاسبه آنها بسیار ساده است، موضوع جالبی برای مطالعه است. سرعت موج (υ) سرعت حرکت جلویی آن است (مکان تمام نقاطی که نوسان محیط در لحظه به آن رسیده است):
υ=√G/ ρ،
جایی که ρ چگالی محیط است، G مدول الاستیسیته است.
هنگام محاسبه، سرعت موج مکانیکی در یک محیط را با سرعت حرکت ذرات محیطی که در فرآیند موج دخالت دارند اشتباه نگیرید. بنابراین، برای مثال، یک موج صوتی در هوا با سرعت متوسط ارتعاشی مولکول‌های آن 10 متر بر ثانیه منتشر می‌شود، در حالی که سرعت موج صوتی در شرایط عادی 330 متر بر ثانیه است.
جنبه موج اشکال مختلفی دارد که ساده ترین آنها عبارتند از:
• کروی - ناشی از نوسانات در یک محیط گازی یا مایع. در این حالت، دامنه موج با فاصله از منبع به نسبت معکوس مربع فاصله کاهش می یابد.
• مسطح - صفحه ای است که عمود بر جهت انتشار موج است. به عنوان مثال، در یک سیلندر پیستونی بسته هنگام نوسان رخ می دهد. یک موج مسطح با دامنه تقریبا ثابت مشخص می شود. کاهش جزئی آن با فاصله از منبع اختلال با درجه ویسکوزیته محیط گازی یا مایع همراه است.
طول موج
در زیر طول موج، فاصله ای که جلوی آن در آن زمان حرکت می کند درک می شود.برابر است با دوره نوسان ذرات محیط:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω،
که T دوره نوسان است، υ سرعت موج، ω فرکانس چرخه ای، ν فرکانس نوسان نقاط متوسط است.
از آنجایی که سرعت انتشار یک موج مکانیکی کاملاً به خواص محیط وابسته است، طول آن λ در طول انتقال از یک محیط به رسانه دیگر تغییر می کند. در این حالت فرکانس نوسان ν همیشه ثابت می ماند. امواج مکانیکی و الکترومغناطیسی از این نظر مشابه هستند که هنگام انتشار، انرژی منتقل می شود، اما هیچ ماده ای منتقل نمی شود.
