VZDOLŽNI VALOVI: ZNAČILNOSTI, RAZLIKE, PRIMERI - FIZIČNO - 2026

V vzdolžni valovi se kažejo v materialnih sredstev, v katerih delci nihajo vzporedno s smerjo val potuje. kot bo razvidno iz naslednjih slik. To je njegova posebnost.

Zvočni valovi, določeni valovi, ki se pojavijo med potresom, in tisti, ki nastanejo v drsnem ali vzmetnem času, ko daje majhen impulz v isti smeri svoje osi, so dobri primeri tega razreda valov.

Slika 1. Zvok je vzdolžni val, ki v zraku proizvaja zaporedne stiske in širitve. Vir: Wikimedia Commons. Pluke

Zvok nastane, ko nek predmet (na primer vilice za glasbo, glasbeni instrument ali preprosto glasovne vrvice) vibrira v mediju, ki lahko prek vibracij molekul prenaša motnje. Zrak je primeren medij, so pa tudi tekočine in trdne snovi.

Motnja večkrat spremeni tlak in gostoto medija. Na ta način val proizvaja kompresije in širitve (redkosti) v molekulah medija, ko se energija giblje z določeno hitrostjo v .

Te spremembe tlaka uho zaznava z vibracijami v ušesnem mozgu, ki jih živčno omrežje skrbi za pretvorbo v drobne električne tokove. Ko dosežejo možgane, jih razlagajo kot zvoke.

V vzdolžnem valu se vzorec, ki se neprestano ponavlja, imenujemo cikel, njegovo trajanje pa je obdobje valovanja. Obstaja tudi amplituda, ki je največja intenzivnost in ki se meri glede na velikost, ki se upošteva kot referenca, v primeru zvoka pa je lahko sprememba tlaka v mediju.

Drug pomemben parameter je valovna dolžina: razdalja med dvema zaporednima stiskanjem ali raztezanjem, glej sliko 1. V mednarodnem sistemu se valovna dolžina meri v metrih. Nazadnje je tu njegova hitrost (v metrih / sekunda za mednarodni sistem), kar kaže, kako hitro se energija širi.

Kako se v oceanskih valovih pojavljajo vzdolžni valovi?

V vodnem telesu valovi nastanejo iz več vzrokov (spremembe tlaka, vetrovi, gravitacijske interakcije z drugimi zvezdami). Tako lahko morske valove razvrstimo v:

- Vetrni valovi

- Plime

- cunami

Opis teh valov je precej zapleten. Na splošno se valovi v globokih vodah gibljejo vzdolžno, kar povzroča občasno stiskanje in širjenje medija, kot je opisano na začetku.

Na površini morja pa so stvari nekoliko drugačne, saj prevladujejo tako imenovani površinski valovi, ki združujejo značilnosti vzdolžnih valov in prečnih valov. Zato se valovi, ki se premikajo v globinah vodnega okolja, močno razlikujejo od tistih, ki se premikajo po površini.

Hlod, ki plava na morski gladini, ima nekakšno povratno ali rahlo vrteče se gibanje. Ko se valovi lomijo na obali, prevladujejo vzdolžne komponente vala, in ko se log odziva na gibanje molekul vode, ki ga obdajajo, ga opazujemo tudi, kako prihaja in gre na površje.

Slika 2. Morski valovi na površini so valovi, ki imajo deloma vzdolžne značilnosti valov, deloma pa prečno. Vir: Vir: Vargklo na en.wikipedia

Razmerje med globino in valovno dolžino

Dejavniki, ki določajo vrsto valovanja, ki nastane, so: globina vode in valovna dolžina morskega vala. Če globino vode v določeni točki imenujemo d in je valovna dolžina λ, valovi prehajajo iz vzdolžnih v površinske, kadar:

Na površini molekule vode pridobivajo rotacijske gibe, ki jih izgubljajo, ko se globina povečuje. Trenje vodne mase z dnom povzroči, da te orbite postanejo eliptične, kot je prikazano na sliki 2.

Na plažah so vode ob obali bolj nemirne, ker valovi tam lomijo, delci vode se na dnu upočasnijo in to povzroči, da se na grebenih nabere več vode. V globljih vodah se po drugi strani zazna, kako valovi mehčajo.

Kadar je d >> λ / 2 globokovodni valovi ali kratki valovi, se krožne ali eliptične orbite zmanjšujejo v velikosti in prevladujejo vzdolžni valovi. In če je d << λ / 2 valovi iz površinskih voda ali dolgih valov.

Razlike s strižnimi valovi

Vzdolžni in prečni valovi sodijo v kategorijo mehanskih valov, ki za svoje širjenje potrebujejo materialni medij.

Najpomembnejša razlika med obema je bila omenjena na začetku: v prečnih valovih se delci medija premikajo pravokotno na smer širjenja vala, v vzdolžnih valovih pa nihajo v isto smer, čemur sledi motnja. Vendar obstajajo bolj značilne lastnosti:

Več razlik med prečnimi in vzdolžnimi valovi

- V prečnem valu se ločijo grbine in doline, ki so v vzdolžnih enakovrednih stiskam in raztezanjem.

- Druga razlika je v tem, da vzdolžni valovi niso polarizirani, ker je smer hitrosti vala enaka smeri gibanja nihajnih delcev.

- Prečni valovi se lahko širijo v katerem koli mediju in celo v vakuumu, kot so elektromagnetni valovi. Po drugi strani pa znotraj tekočin, ki nimajo togosti, delci nimajo druge možnosti, kot da drsijo drug mimo drugega in se premikajo tako, kot to povzroča motnja, torej vzdolžno.

Posledično so valovi, ki nastanejo sredi oceanske in atmosferske mase, vzdolžni, saj prečni valovi potrebujejo medije z dovolj togosti, da omogočijo značilne pravokotne premike.

- Vzdolžni valovi povzročajo spremembe tlaka in gostote v mediju, skozi katerega se širijo. Po drugi strani prečni valovi na ta način ne vplivajo na medij.

Podobnosti med vzdolžnimi in prečnimi valovi

Imajo enake dele: obdobje, amplituda, frekvenca, cikli, faza in hitrost. Vsi valovi so podvrženi refleksiji, lomu, difrakciji, interferenci in Dopplerjevemu učinku in prenašajo energijo skozi medij.

Čeprav so vrhovi in ​​doline značilni za prečni val, so stiski v vzdolžnem valu podobni vrhovom in širitve v doline tako, da oba vala priznava enak matematični opis sinusnega ali sinusnega vala.

Primeri vzdolžnih valov

Zvočni valovi so najbolj značilni vzdolžni valovi in ​​spadajo med najbolj raziskane, saj so temelj komunikacije in glasbenega izražanja, razlogi za njihov pomen v življenju ljudi. Poleg tega imajo zvočni valovi pomembno vlogo v medicini, tako pri diagnozi kot pri zdravljenju.

Ultrazvočna tehnika je med drugimi aplikacijami dobro znana po pridobivanju medicinskih slik, pa tudi pri zdravljenju ledvičnih kamnov. Ultrazvok ustvari piezoelektrični kristal, ki lahko ustvari vzdolžni tlačni val, ko se uporabi električno polje (pri pritisku ustvarja tudi tok).

Da bi res videli, kako izgleda vzdolžni val, nič boljšega kot tuljave vzmeti ali drsniki. Z dajanjem majhnega impulza vzmetu je takoj opazovati, kako se stiski in raztezaji izmenično širijo skozi zavoje.

- potresni valovi

Vzdolžni valovi so tudi del potresnih gibanj. Potresi so sestavljeni iz različnih vrst valov, med katerimi so P ali primarni valovi in ​​S ali sekundarni valovi. Prvi so vzdolžni, v drugem pa srednji delci vibrirajo v smeri, prečni proti premiku vala.

V potresih nastajajo vzdolžni valovi (primarni P valovi) in prečni valovi (sekundarni valovi S) in druge vrste, kot so površinski Rayleighovi valovi in ​​Love love.

V resnici so vzdolžni valovi edini, za katere je znano, da potujejo skozi središče Zemlje. Ker se gibljejo le v tekočih ali plinastih medijih, znanstveniki menijo, da je jedro Zemlje sestavljeno predvsem iz staljenega železa.

- Vloga za uporabo

P valovi in ​​S valovi, ki nastanejo med potresom, na Zemlji potujejo z različnimi hitrostmi, zato so njihovi časi prihoda na seizmografske postaje različni (glej sliko 3). Zahvaljujoč temu je mogoče določiti razdaljo do epicentra potresa s triagulacijo z uporabo podatkov treh ali več postaj.

Slika 3. Potresni valovi P in S prihajajo na seizmografe z različnim časom, saj so njihove hitrosti različne. Vir: Wikimedia Commons.

Predpostavimo, da je v _P = 8 km / s hitrost P valov, medtem ko je hitrost S valov v _V = 5 km / s. P valovi prispejo 2 minuti pred prvimi valovi S. Kako izračunati razdaljo od epicentra?

Odgovori

Naj bo D razdalja med epicentrom in seizmološko postajo. S predloženimi podatki je mogoče najti čas potovanja t _P in t _S vsakega vala:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Razlika je Δt = t _S - t _P :

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

Reševanje vrednosti D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (Δt. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

Vedo, da sta 2 minuti = 120 sekund in nadomestite preostale vrednosti:

D = 120 s. (8 km / s. 5 km / s) / (8 - 5 km / s) = 1600 km.

Reference

1. Razlika med prečnimi in vzdolžnimi valovi. Pridobljeno od: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Valovi in ​​kvantna fizika. Serija fizike za znanost in tehniko. Zvezek 7. Uredil Douglas Figueroa. Univerza Simon Bolivar. 1-58.
3. Infrazvok in ultrazvok. Pridobljeno: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Vzdolžno in prečno gibanje valov. Pridobljeno: acs.psu.edu.
6. Vodni valovi. Pridobljeno: labman.phys.utk.edu.