Voit kuvitella, mitä mekaaniset aallot ovat heittämällä kiven veteen. Siinä näkyvät ympyrät, jotka ovat vuorottelevia kouruja ja harjuja, ovat esimerkki mekaanisista aalloista. Mikä on niiden olemus? Mekaaniset aallot ovat värähtelyn etenemisprosessia elastisissa väliaineissa.
Aallot nestepinnalla
Tällaisia mekaanisia a altoja esiintyy molekyylien välisten voimien ja painovoiman vaikutuksesta nesteen hiukkasiin. Ihmiset ovat tutkineet tätä ilmiötä pitkään. Merkittävimmät ovat v altameri ja meren aallot. Tuulen nopeuden kasvaessa ne muuttuvat ja niiden korkeus kasvaa. Myös itse a altojen muoto muuttuu monimutkaisemmaksi. Meressä ne voivat saavuttaa pelottavat mittasuhteet. Yksi selkeimmistä esimerkeistä voimasta on tsunami, joka pyyhkäisee pois kaiken tieltään.
meren ja v altamerten a altojen energiaa
Rannalle saavuttaessa meren aallot lisääntyvät jyrkän syvyysmuutoksen myötä. Joskus ne saavuttavat useiden metrien korkeuden. Tällaisina hetkinä v altavan vesimassan kineettinen energia siirtyy rannikon esteisiin, jotka tuhoutuvat nopeasti sen vaikutuksesta. Surffauksen vahvuus saavuttaa joskus suurenmoiset arvot.
Elastiset aallot
Mekaniikassa ei tutkita vain värähtelyjä nesteen pinnalla, vaan myös ns. elastisia a altoja. Nämä ovat häiriöitä, jotka etenevät eri väliaineissa niissä olevien elastisten voimien vaikutuksesta. Tällainen häiriö on mikä tahansa tietyn väliaineen hiukkasten poikkeama tasapainoasennosta. Hyvä esimerkki elastisista aalloista on pitkä köysi tai kumiputki, joka on kiinnitetty johonkin toiseen päähän. Jos vedät sen tiukkaan ja luot sitten häiriön sen toiseen (kiinnittämättömään) päähän sivuttain terävällä liikkeellä, näet kuinka se "juoksee" köyden koko pituudelta tukeen ja heijastuu takaisin.
Mekaanisten a altojen lähde
Alkuperäinen häiriö johtaa aallon ilmestymiseen väliaineeseen. Se johtuu jonkin vieraan kappaleen vaikutuksesta, jota fysiikassa kutsutaan aallon lähteeksi. Se voi olla köyttä heiluttavan henkilön käsi tai veteen heitetty kivi. Siinä tapauksessa, että lähteen toiminta on lyhytkestoista, väliaineessa esiintyy usein yksinäinen a alto. Kun "häiriötekijä" tekee pitkiä värähteleviä liikkeitä, aallot alkavat ilmaantua peräkkäin.
Edellytykset mekaanisten a altojen esiintymiselle
Tällaista värähtelyä ei aina muodostu. Välttämätön edellytys niiden esiintymiselle on sitä estävien voimien, erityisesti elastisuuden, esiintyminen väliaineen häiriön hetkellä. Niillä on taipumus tuoda vierekkäisiä hiukkasia lähemmäksi toisiaan, kun ne siirtyvät erilleen, ja työntää ne poispäin toisistaan, kun ne lähestyvät toisiaan. Etäisyyteen vaikuttavat elastiset voimathiukkasten häiriöiden lähde, alkavat viedä ne tasapainosta. Ajan myötä kaikki väliaineen hiukkaset ovat mukana yhdessä värähtelevässä liikkeessä. Tällaisten värähtelyjen eteneminen on a alto.
Mekaaniset aallot elastisessa väliaineessa
Elastisessa aallossa on 2 tyyppistä liikettä samanaikaisesti: hiukkasten värähtelyt ja häiriön eteneminen. Pitkittäisa alto on mekaaninen a alto, jonka hiukkaset värähtelevät sen etenemissuuntaa pitkin. Poikittaisa alto on a alto, jonka keskiainehiukkaset värähtelevät sen etenemissuunnan poikki.
Mekaanisten a altojen ominaisuudet
Pitkittäisaallon häiriöt ovat harvinaistumista ja puristusta, ja poikittaisa altossa ne ovat väliaineen joidenkin kerrosten siirtymiä (siirtymiä) suhteessa muihin. Puristusmuodonmuutosta seuraa elastisten voimien ilmaantuminen. Tässä tapauksessa leikkausmuodonmuutos liittyy elastisten voimien esiintymiseen yksinomaan kiinteissä aineissa. Kaasumaisissa ja nestemäisissä väliaineissa näiden väliaineiden kerrosten siirtymiseen ei liity mainitun voiman ilmaantumista. Ominaisuuksiensa vuoksi pitkittäiset aallot voivat levitä missä tahansa väliaineessa, kun taas poikittaiset aallot voivat levitä vain kiinteissä aineissa.
A altojen piirteet nesteiden pinnalla
Aallot nesteen pinnalla eivät ole pitkittäisiä eivätkä poikittaisia. Niillä on monimutkaisempi, niin kutsuttu pitkittäis-poikittainen luonne. Tässä tapauksessa nestehiukkaset liikkuvat ympyrässä tai pitkänomaisia ellipsejä pitkin. Hiukkasten ympyräliikkeisiin nesteen pinnalla ja erityisesti suurten värähtelyjen aikana liittyy niiden hidas mutta jatkuvaliikkuvat aallon etenemisen suuntaan. Juuri nämä veden mekaanisten a altojen ominaisuudet aiheuttavat erilaisten merenelävien ilmestymisen rannalle.
Mekaaninen a altotaajuus
Jos elastisessa väliaineessa (neste, kiinteä, kaasumainen) sen hiukkasten värähtely virittyy, niin se etenee niiden välisen vuorovaikutuksen vuoksi nopeudella u. Joten jos värähtelevä kappale on kaasumaisessa tai nestemäisessä väliaineessa, sen liike alkaa siirtyä kaikkiin sen viereisiin hiukkasiin. He ottavat seuraavat mukaan prosessiin ja niin edelleen. Tässä tapauksessa ehdottomasti kaikki väliaineen pisteet alkavat värähdellä samalla taajuudella, joka on yhtä suuri kuin värähtelevän kappaleen taajuus. Se on aallon taajuus. Toisin sanoen tätä arvoa voidaan luonnehtia väliaineen pisteiden värähtelytaajuudeksi, joissa a alto etenee.
Ei välttämättä ole heti selvää, kuinka tämä prosessi tapahtuu. Mekaaniset aallot liittyvät värähtelevän liikkeen energian siirtoon sen lähteestä väliaineen kehälle. Tämän seurauksena syntyy niin sanottuja jaksollisia muodonmuutoksia, jotka a alto kuljettaa pisteestä toiseen. Tässä tapauksessa väliaineen hiukkaset eivät itse liiku aallon mukana. Ne värähtelevät lähellä tasapainoasemaansa. Siksi mekaanisen aallon etenemiseen ei liity aineen siirtymistä paikasta toiseen. Mekaanisilla aalloilla on eri taajuudet. Siksi ne jaettiin alueisiin ja luotiin erityinen asteikko. Taajuus mitataan hertseinä (Hz).
Peruskaavat
Mekaaniset aallot, joiden laskentakaavat ovat melko yksinkertaiset, ovat mielenkiintoinen kohde tutkittavaksi. Aallon nopeus (υ) on sen etuliikkeen nopeus (kaikkien pisteiden paikka, joihin väliaineen värähtely on tällä hetkellä saavuttanut):
υ=√G/ ρ, jossa ρ on väliaineen tiheys, G on kimmomoduuli.
Älä sekoita mekaanisen aallon nopeutta väliaineessa a altoprosessissa mukana olevien väliaineen hiukkasten liikenopeuteen laskettaessa. Joten esimerkiksi äänia alto ilmassa etenee molekyyliensä keskimääräisellä värähtelynopeudella 10 m/s, kun taas ääniaallon nopeus normaaleissa olosuhteissa on 330 m/s.
A altorintama on monessa muodossa, joista yksinkertaisimmat ovat:
• Pallomainen - kaasumaisen tai nestemäisen väliaineen vaihteluiden aiheuttama. Tässä tapauksessa aallon amplitudi pienenee etäisyyden mukaan lähteestä käänteisessä suhteessa etäisyyden neliöön.
• Tasainen - on taso, joka on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan. Sitä esiintyy esimerkiksi suljetussa mäntäsylinterissä, kun se värähtelee. Tasoa altolle on ominaista lähes vakio amplitudi. Sen hienoinen lasku etäisyyden mukaan häiriölähteestä liittyy kaasumaisen tai nestemäisen väliaineen viskositeetin asteeseen.
Aallonpituus
Aallonpituuden alla ymmärretään etäisyys, jonka verran sen etuosa liikkuu ajassa, jonkaon yhtä suuri kuin väliaineen hiukkasten värähtelyjakso:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, jossa T on värähtelyjakso, υ on aallon nopeus, ω on syklinen taajuus, ν on keskipisteiden värähtelytaajuus.
Koska mekaanisen aallon etenemisnopeus on täysin riippuvainen väliaineen ominaisuuksista, sen pituus λ muuttuu siirtyessä väliaineesta toiseen. Tässä tapauksessa värähtelytaajuus ν pysyy aina samana. Mekaaniset ja sähkömagneettiset aallot ovat samanlaisia siinä mielessä, että kun ne etenevät, energia siirtyy, mutta ainetta ei siirretä.
