Možete zamisliti šta su mehanički talasi bacanjem kamena u vodu. Krugovi koji se pojavljuju na njemu i koji su naizmjenično korita i grebeni primjer su mehaničkih valova. Šta je njihova suština? Mehanički talasi su proces širenja vibracija u elastičnom mediju.
Talasi na tečnim površinama
Ovakvi mehanički talasi postoje zbog uticaja međumolekulskih sila i gravitacije na čestice tečnosti. Ljudi su dugo proučavali ovaj fenomen. Najznačajniji su oceanski i morski valovi. Kako se brzina vjetra povećava, oni se mijenjaju i njihova visina se povećava. Oblik samih valova također postaje složeniji. U okeanu mogu dostići zastrašujuće razmere. Jedan od najjasnijih primjera sile je cunami koji briše sve na svom putu.
Energija morskih i okeanskih talasa
Kada stignu do obale, morski talasi se povećavaju sa oštrom promjenom dubine. Ponekad dosežu visinu od nekoliko metara. U takvim trenucima kinetička energija kolosalne mase vode prenosi se na obalne prepreke, koje se pod njenim utjecajem brzo uništavaju. Snaga surfanja ponekad dostiže grandiozne vrijednosti.
Elastični talasi
U mehanici se ne proučavaju samo vibracije na površini tečnosti, već i takozvani elastični talasi. To su perturbacije koje se šire u različitim medijima pod djelovanjem elastičnih sila u njima. Takva perturbacija je svako odstupanje čestica date sredine od ravnotežnog položaja. Dobar primjer elastičnih valova je dugačko uže ili gumena cijev pričvršćena za nešto na jednom kraju. Ako ga čvrsto zategnete, a zatim stvorite smetnju na njegovom drugom (nefiksiranom) kraju sa bočnim oštrim pokretom, možete vidjeti kako "teče" cijelom dužinom užeta do oslonca i reflektuje se nazad.
Izvor mehaničkih talasa
Inicijalna perturbacija dovodi do pojave talasa u mediju. Nastaje djelovanjem nekog stranog tijela, koje se u fizici naziva izvorom vala. To može biti ruka osobe koja zamahuje konopcem ili kamenčić bačen u vodu. U slučaju kada je djelovanje izvora kratkotrajno, u mediju se često javlja usamljeni val. Kada "ometač" pravi duge oscilatorne pokrete, talasi počinju da se pojavljuju jedan za drugim.
Uslovi za nastanak mehaničkih talasa
Ova vrsta oscilacije se ne formira uvijek. Neophodan uslov za njihovu pojavu je pojava u momentu poremećaja sredine sila koje ga sprečavaju, posebno elastičnosti. Oni imaju tendenciju da zbliže susjedne čestice kada se razdvoje, a odgurnu ih jednu od druge kada se približe jedna drugoj. Elastične sile koje djeluju na udaljeno odizvor perturbacije čestice, počnite da ih dovodite iz ravnoteže. Vremenom su sve čestice medija uključene u jedno oscilatorno kretanje. Širenje takvih oscilacija je talas.
Mehanički talasi u elastičnom mediju
U elastičnom talasu postoje 2 vrste kretanja istovremeno: oscilacije čestica i širenje perturbacije. Longitudinalni talas je mehanički talas čije čestice osciluju duž pravca njegovog širenja. Poprečni talas je talas čije čestice medija osciluju u pravcu njegovog širenja.
Svojstva mehaničkih talasa
Perturbacije u longitudinalnom talasu su razrjeđivanje i kompresija, au poprečnom valu su pomaci (pomjeranja) nekih slojeva medija u odnosu na druge. Deformacija kompresije je praćena pojavom elastičnih sila. U ovom slučaju, posmična deformacija je povezana s pojavom elastičnih sila isključivo u čvrstim tijelima. U gasovitim i tečnim medijima pomeranje slojeva ovih medija nije praćeno pojavom pomenute sile. Zbog svojih svojstava, longitudinalni talasi se mogu širiti u bilo kojoj sredini, dok se poprečni talasi mogu širiti samo u čvrstim materijama.
Karakteristike talasa na površini tečnosti
Talasi na površini tečnosti nisu ni uzdužni ni poprečni. Imaju složeniji, takozvani uzdužno-poprečni karakter. U ovom slučaju, čestice fluida se kreću u krug ili duž izduženih elipsa. Kružna kretanja čestica na površini tečnosti, a posebno pri velikim oscilacijama, praćena su njihovim sporim, ali neprekidnimkrećući se u pravcu širenja talasa. Upravo ta svojstva mehaničkih valova u vodi uzrokuju pojavu raznih morskih plodova na obali.
Frekvencija mehaničkih talasa
Ako je u elastičnom mediju (tečnom, čvrstom, gasovitom) vibracija njegovih čestica pobuđena, onda će se zbog interakcije između njih širiti brzinom u. Dakle, ako je oscilirajuće tijelo u plinovitom ili tekućem mediju, tada će se njegovo kretanje početi prenositi na sve čestice koje su mu susjedne. Oni će uključiti sljedeće u proces i tako dalje. U tom slučaju, apsolutno sve točke medija počet će oscilirati istom frekvencijom, jednakom frekvenciji tijela koja oscilira. To je frekvencija talasa. Drugim riječima, ova vrijednost se može okarakterisati kao frekvencija oscilovanja tačaka u mediju gdje se talas širi.
Možda neće biti odmah jasno kako se ovaj proces odvija. Mehanički valovi su povezani s prijenosom energije oscilatornog kretanja od njegovog izvora do periferije medija. Kao rezultat, nastaju takozvane periodične deformacije, koje talas prenosi od jedne tačke do druge. U ovom slučaju, same čestice medija se ne kreću zajedno sa talasom. Oni osciliraju blizu svog ravnotežnog položaja. Zato širenje mehaničkog talasa nije praćeno prenošenjem materije sa jednog mesta na drugo. Mehanički talasi imaju različite frekvencije. Stoga su podijeljeni u raspone i stvorili posebnu ljestvicu. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz).
Osnovne formule
Mehanički talasi, čije su formule za proračun prilično jednostavne, zanimljiv su predmet za proučavanje. Brzina talasa (υ) je brzina njegovog frontalnog kretanja (lokus svih tačaka do kojih je u ovom trenutku dosegla oscilacija medija):
υ=√G/ ρ, gdje je ρ gustina medija, G je modul elastičnosti.
Kada računate, nemojte brkati brzinu mehaničkog talasa u mediju sa brzinom kretanja čestica medija koje su uključene u talasni proces. Tako, na primer, zvučni talas u vazduhu se širi sa prosečnom brzinom vibracije njegovih molekula od 10 m/s, dok je brzina zvučnog talasa u normalnim uslovima 330 m/s.
Vasni front dolazi u mnogo oblika, od kojih su najjednostavniji:
• Sferičan - uzrokovan fluktuacijama u plinovitom ili tekućem mediju. U ovom slučaju, amplituda talasa opada sa udaljenosti od izvora obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti.
• Ravna - je ravan koja je okomita na pravac prostiranja talasa. Javlja se, na primjer, u zatvorenom klipnom cilindru kada oscilira. Ravni val karakterizira gotovo konstantna amplituda. Njegovo blago smanjenje sa udaljenosti od izvora smetnji povezano je sa stepenom viskoziteta gasovitog ili tečnog medija.
valna dužina
Pod talasnom dužinom podrazumeva se rastojanje preko koje će se njegova fronta kretati za vreme kojejednak je periodu oscilacije čestica medija:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, gde je T period oscilovanja, υ je brzina talasa, ω je ciklička frekvencija, ν je frekvencija oscilovanja tačaka sredine.
Budući da je brzina širenja mehaničkog talasa u potpunosti zavisna od svojstava medijuma, njegova dužina λ se menja tokom prelaska iz jednog medija u drugi. U ovom slučaju, frekvencija oscilovanja ν uvijek ostaje ista. Mehanički i elektromagnetski talasi su slični po tome što kada se šire, energija se prenosi, ali se prenosi bez obzira na to.
