Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Поздовжня хвиля - хвиля, у якій коливання відбуваються у напрямі її поширення.

Більшість хвиль, що спостерігаються в природі, можна віднести до одного з двох типів: поперечні або поздовжні хвилі. Іноді ми можемо спостерігати їх одночасно, наприклад, поперечна хвиля на струні, яку щипає гітарист, викликає поздовжню звукову хвилю в резонаторі гітари.

Наприклад, виверження вулкана супроводжується поперечною та поздовжньою сейсмічною хвилею, що поширюється з різними швидкостями, що лежить в основі одного з методів визначення місця виверження.

Чим поздовжні хвилі відрізняються від поперечних?

Поздовжні хвилі характеризуються тим, що вони викликають у матеріальному середовищі, в якому вони поширюються (повітря, вода, кристал і т.д.) усунення, паралельні напряму хвилі. Цей тип хвиль обговорюватиметься у цій статті.

Коли механічна хвиля поширюється у матеріальному середовищі, елементи середовища переміщуються. Залежно від напрямку зсувів, пов'язаних з цим рухом, стосовно напрямку хвилі, можна говорити про два типи хвиль:

    Коли напрям коливань частинок середовища паралельно напрямку хвилі, ми говоримо про поздовжню хвилю.
  1. Коли напрям коливань частинок середовища перпендикулярно до напрямку хвилі, ми говоримо про поперечну хвилю.

Досвід-приклад: спостереження поздовжньої хвилі на пружині

Підготуйте довгу пружину. Ви можете зробити її самі, накрутивши довгий мідний дріт діаметром близько 1 мм на паличку для чищення зубів.Для цього також чудово підходить іграшкова пружинка. Покладіть пружину горизонтально на довгий стіл та закріпіть її з одного кінця. Утримуючи інший кінець рукою, розтягніть пружину (рис.1.).

    Швидко перемістіть кінець пружини паралельно до її довжини - вправо на рис. 1 - і швидко поверніть його у вихідне положення. Що ви спостерігаєте?
  1. Ритмічно рухайте кінець пружини вперед-назад. Яка хвиля зараз створюється?
Мал. 1. Спостереження поздовжньої хвилі на пружині

В експерименті ми спостерігаємо специфічний тип хвилі: ущільнення та розширення поширюються вздовж пружини. Обурення пружини показано на малюнках 2 і 3. Щоб зробити малюнки більш читаними, витки пружини замінені вертикальними лініями. У верхній частині малюнків показано недеформовану систему. Під ним – система, в якій працює хвиля. Стрілки показують усунення обраних елементів системи.

Мал. 2. Однохвильовий імпульс, який спостерігається в експериментіМал. 3. Гармонійна хвиля, що спостерігається в експерименті

Примітка: елементи пружини рухаються паралельно до напрямку хвилі. Така хвиля називається поздовжньою.

    На малюнку 2 показаний однохвильовий імпульс, що складається з одного стиснення та одного розширення. Це відповідає пункту 1 експерименту.
  1. На малюнку 3. показана гармонійна хвиля, що складається з стиснень і розширень, що періодично повторюються. Це відповідає пункту 2 експерименту. Для опису поздовжніх гармонійних хвиль введемо ті ж поняття, що і для опису гармонійних поперечних хвиль: період T, частота f, амплітуда A і довжина хвилі. Довжина хвилі цієї гармонійної хвилі вказана на рис. 3.

Поздовжні хвилі в матеріальному середовищі

Вище ми обговорювали прості та «одномірні» моделі поздовжніх хвиль.Проте справді цікавими є хвилі такого роду, що поширюються у «тривимірних» середовищах. Прикладом можуть бути сейсмічні хвилі, що у земної корі при виверженнях вулканів (так звані P-хвилі). Я не знаю, чи вам доведеться коли-небудь особисто зіткнутися з цим явищем. Однак ви постійно стикаєтеся зі звуковими хвилями в повітрі та воді (газі та рідині). Вони є джерелом слуху людини і тварин, тому ми приділимо їм трохи більше уваги.

Повернемося до рис. 2. і уявімо, що у ньому зображені не витки пружини, а горизонтальний стовп повітря, подумки розділений на часточки. Кожна з цих скибочок містить однакову кількість газу. Пам'ятайте: тиск у газі залежить від об'єму та зменшується зі збільшенням об'єму. Розглянемо тепер три такі зрізи (рис. 4.), розглядаючи їх для простоти як коробки, що спочатку мають однаковий об'єм і однаковий тиск. З тиском пов'язана сила, яку газ чинить на поверхню зрізу.

Мал. 4. Думковий експеримент, описаний у тексті вище
    Вгорі показано рівноважний стан без хвилі. Тиск у кожній часточці однаково. Лівий зріз діє на середній зріз із силою, спрямованою вправо, внаслідок дії газу на поверхню між зрізами. Правий зріз діє середній зріз із силою тієї ж величини, але спрямованої вліво. Результуюча цих сил дорівнює нулю.
  1. У нижній частині малюнка показаний приклад обурення, викликаного хвилею. Ліва часточка звузилася, і тиск у ній підвищився. Він діє з більшою силою на середню часточку. Права часточка розширилася, тиск у ній знизився. Він впливає на середню часточку з меншою силою. Результуюча цих сил вже не дорівнює нулю і спрямована вправо.

Видно, що зміщення в газі створили неврівноважені сили. Виникаючі сили відповідатимуть за подальші усунення, що призведе до поширення поздовжньої хвилі.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво