Možete zamisliti što su mehanički valovi bacanjem kamena u vodu. Krugovi koji se pojavljuju na njemu i koji su izmjenična korita i grebeni primjer su mehaničkih valova. Koja je njihova bit? Mehanički valovi su proces širenja vibracija u elastičnom mediju.
Valovi na tekućim površinama
Takvi mehanički valovi postoje zbog utjecaja međumolekularnih sila i gravitacije na čestice tekućine. Ljudi su dugo proučavali ovaj fenomen. Najznačajniji su oceanski i morski valovi. Kako se brzina vjetra povećava, mijenjaju se i povećava im se visina. Oblik samih valova također postaje složeniji. U oceanu mogu doseći zastrašujuće razmjere. Jedan od najjasnijih primjera sile je tsunami koji briše sve na svom putu.
Energija morskih i oceanskih valova
Kada stignu do obale, morski valovi se povećavaju s oštrom promjenom dubine. Ponekad dosežu visinu od nekoliko metara. U takvim trenucima kinetička energija kolosalne vode prenosi se na obalne prepreke, koje se pod njezinim utjecajem brzo uništavaju. Snaga surfanja ponekad doseže grandiozne vrijednosti.
Elastični valovi
U mehanici se ne proučavaju samo vibracije na površini tekućine, već i takozvani elastični valovi. To su poremećaji koji se šire u različitim medijima pod djelovanjem elastičnih sila u njima. Takva perturbacija je svako odstupanje čestica danog medija od ravnotežnog položaja. Dobar primjer elastičnih valova je dugo uže ili gumena cijev pričvršćena za nešto na jednom kraju. Ako ga čvrsto povučete, a zatim stvorite smetnju na njegovom drugom (nefiksiranom) kraju s bočnim oštrim pokretom, možete vidjeti kako "teče" cijelom dužinom užeta do oslonca i reflektira se natrag.
Izvor mehaničkih valova
Početna perturbacija dovodi do pojave vala u mediju. Nastaje djelovanjem nekog stranog tijela, koje se u fizici naziva izvorom vala. To može biti ruka osobe koja zamahuje užetom ili kamenčić bačen u vodu. U slučaju kada je djelovanje izvora kratkotrajno, u mediju se često javlja usamljeni val. Kada "ometač" čini duge oscilatorne pokrete, valovi se počinju pojavljivati jedan za drugim.
Uvjeti za pojavu mehaničkih valova
Ova vrsta oscilacije ne nastaje uvijek. Neophodan uvjet za njihovu pojavu je pojava u trenutku perturbacije medija sila koje ga sprječavaju, posebice elastičnosti. Oni imaju tendenciju približavanja susjednih čestica kada se razmiču, a odguruju ih jednu od druge kada se približavaju. Elastične sile koje djeluju na udaljene odizvor perturbacije čestice, početi ih dovoditi iz ravnoteže. S vremenom su sve čestice medija uključene u jedno oscilatorno gibanje. Širenje takvih oscilacija je val.
Mehanički valovi u elastičnom mediju
U elastičnom valu postoje 2 vrste gibanja istovremeno: oscilacije čestica i širenje perturbacije. Uzdužni val je mehanički val čije čestice osciliraju duž smjera njegova širenja. Poprečni val je val čije čestice medija osciliraju u smjeru njegovog širenja.
Svojstva mehaničkih valova
Perturbacije u longitudinalnom valu su razrjeđivanje i kompresija, a u poprečnom valu su pomaci (pomaci) nekih slojeva medija u odnosu na druge. Deformaciju kompresije prati pojava elastičnih sila. U tom je slučaju posmična deformacija povezana s pojavom elastičnih sila isključivo u čvrstim tvarima. U plinovitim i tekućim medijima pomicanje slojeva tih medija nije popraćeno pojavom spomenute sile. Zbog svojih svojstava, longitudinalni valovi mogu se širiti u bilo kojem mediju, dok se poprečni valovi mogu širiti samo u čvrstim tvarima.
Obilježja valova na površini tekućina
Valovi na površini tekućine nisu ni uzdužni ni poprečni. Imaju složeniji, takozvani uzdužno-poprečni karakter. U tom se slučaju čestice tekućine kreću u krug ili duž izduženih elipsa. Kružna gibanja čestica na površini tekućine, a posebno tijekom velikih oscilacija, popraćena su njihovim sporim, ali kontinuiranimkrećući se u smjeru širenja vala. Upravo ta svojstva mehaničkih valova u vodi uzrokuju pojavu raznih morskih plodova na obali.
frekvencija mehaničkih valova
Ako je u elastičnom mediju (tekućem, krutom, plinovitom) vibracija njegovih čestica pobuđena, tada će se zbog međudjelovanja među njima 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 će slučaju apsolutno sve točke medija početi oscilirati istom frekvencijom, jednakom frekvenciji tijela koja oscilira. To je frekvencija vala. Drugim riječima, ova vrijednost se može okarakterizirati kao frekvencija oscilacija točaka u mediju gdje se val širi.
Možda neće biti odmah jasno kako se ovaj proces odvija. Mehanički valovi povezani su s prijenosom energije oscilatornog gibanja od njegovog izvora do periferije medija. Kao rezultat toga nastaju takozvane periodične deformacije koje val prenosi s jedne točke na drugu. U tom se slučaju same čestice medija ne pomiču zajedno s valom. Oni osciliraju blizu svog ravnotežnog položaja. Zato širenje mehaničkog vala ne prati prijenos tvari s jednog mjesta na drugo. Mehanički valovi imaju različite frekvencije. Stoga su podijeljeni u raspone i stvorili posebnu ljestvicu. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz).
Osnovne formule
Mehanički valovi, čije su formule za izračun prilično jednostavne, zanimljiv su predmet za proučavanje. Brzina vala (υ) je brzina njegovog frontalnog kretanja (lokusa svih točaka do kojih je trenutno dosegla oscilacija medija):
υ=√G/ ρ, gdje je ρ gustoća medija, G je modul elastičnosti.
Kada računate, nemojte brkati brzinu mehaničkog vala u mediju sa brzinom kretanja čestica medija koje sudjeluju u valnom procesu. Tako se, na primjer, zvučni val u zraku širi prosječnom brzinom vibracije njegovih molekula od 10 m/s, dok je brzina zvučnog vala u normalnim uvjetima 330 m/s.
Valna fronta dolazi u mnogo oblika, od kojih su najjednostavniji:
• Kuglasti - uzrokovan fluktuacijama u plinovitom ili tekućem mediju. U ovom slučaju, amplituda vala opada s udaljenosti od izvora obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti.
• Ravna - je ravnina koja je okomita na smjer širenja vala. Javlja se, na primjer, u zatvorenom klipnom cilindru kada oscilira. Ravni val karakterizira gotovo konstantna amplituda. Njegovo blago smanjenje s udaljenosti od izvora smetnji povezano je sa stupnjem viskoznosti plinovitog ili tekućeg medija.
valna duljina
Pod valnom duljinom podrazumijeva se udaljenost na kojoj će se njegova fronta kretati za vrijeme kojejednak je periodu osciliranja čestica medija:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, gdje je T period oscilacije, υ je brzina vala, ω je ciklička frekvencija, ν je frekvencija oscilacija točaka medija.
Budući da je brzina širenja mehaničkog vala potpuno ovisna o svojstvima medija, njegova se duljina λ mijenja tijekom prijelaza iz jednog medija u drugi. U tom slučaju frekvencija titranja ν uvijek ostaje ista. Mehanički i elektromagnetski valovi slični su po tome što se, kada se šire, prenosi energija, ali se prenosi bez obzira na to.
