POVRŠINSKI VALOVI: ZNAČILNOSTI, VRSTE IN PRIMERI - FIZIČNO - 2025

Površinski valovi so tisti, pri katerih se vibracijski delci gibljejo v dveh dimenzijah, na primer valovi, ki nastanejo ob padcu kamna v ribnik ali jezero.

Ta vrsta valovanja se pojavlja na vmesniku med dvema različnima medijema, na primer oceanom in zrakom ali med površjem Zemlje in zrakom. To so valovi, pri katerih delci doživljajo prečne v kombinaciji z vzdolžnimi premiki, torej dvodimenzionalno.

Slika 1. Površinski valovi v ribniku. Vir: Pixabay.

Na primer, vodni delci na oceanski površini - valovi - se premikajo po krožnih poteh. Ko se valovi prelomijo na obali, prevladujejo vzdolžni premiki, zato se morske alge ali košček lesa, ki plava, vidijo, kako se nemoteno premikajo od spredaj nazaj.

Tudi valovi se premikajo po Zemljinem površju na način, podoben oceanskim valovom. Potujejo z manjšo hitrostjo kot valovi, ki se notranje gibljejo skozi zemeljski volumen, vendar so v zgradbah lažje povzročili resonanco.

Ker valovi proizvajajo vibracije in nosijo energijo, imajo med potresi uničujoče učinke.

Slika 2. Površinski valovi v oceanu. Vodni delci se premikajo v smeri urinega kazalca, ko je gibanje vala od leve proti desni. Na najvišji točki so na grebenu vala, v najnižji točki pa se imenuje kanal. Vir leve figure: F. Zapata. Pravi vir slike: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2. Izdaja. McGraw Hill.

Vrste površinskih valov

Vsaka vrsta vala, bodisi površinska ali ne, je rešitev valovne enačbe, ki se uporablja za skoraj vse vrste gibanja valov, ne le mehanskih, kot so opisani primeri, temveč tudi elektromagnetnih valov, ki so različne vrste valov, kot so prečni.

Enačba valov, ki jo dobimo ob upoštevanju Newtonovega drugega zakona, je napisana tako:

V zgornji enačbi je u valovna funkcija, ki je odvisna od treh prostorskih koordinat x, y in z plus čas t: u = u (x, y, z, t). Nadalje je v hitrost motnje. Enačba valov se lahko navede v drugih koordinatnih sistemih, odvisno od potrebne geometrije.

Da bi našli rešitev enačbe, jo prilagodimo pogojem problema, v katerih je na primer omejena geometrija in določene lastnosti medija, skozi katerega se motnja premika.

Obstaja veliko vrst površinskih valov, kot so:

-Gravitacijski valovi (gravitacijski valovi) kot oceanski valovi, opisani na začetku, pri čemer gravitacija zagotavlja obnovitveno silo, ki omogoča prečno gibanje.

- Površina nabrekne v ribniku, tu je površinska napetost vode, ki deluje kot obnovitvena sila.

- površinski elastični valovi, ki se med potresom premikajo po Zemljini površini.

-Elektromagnetne valove, ki se kljub temu, da so prečni, pravilno usmerjajo za premikanje po površini.

-Nekatere vrste valov, ki nastanejo v strunah kitare, ko strune udarjajo s silo.

Površinski elastični valovi na zemeljski površini

Slika 3. Površinski val na zemeljski površini. Gibanje delcev je kombinacija prečnih in vzdolžnih premikov. Vir: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2. Izdaja. McGraw Hill.

Pri reševanju valovne enačbe rešitve, kot smo rekli, ustrezajo različnim vrstam valov. Ko se motnje premaknejo v trdnem mediju, kakršen je zemeljska skorja, je mogoče o njej narediti nekaj predpostavk, ki poenostavljajo postopek.

Zaradi tega velja, da je medij popolnoma elastičen, homogen in izotrop, kar pomeni, da so njegove lastnosti enake, ne glede na položaj ali smer.

Glede na to dve površinski enačbi valovne enačbe v elastičnem mediju ustrezata površinskim valovom:

- Waves of Rayleigh, imenovan po lordu Rayleighu (1842-1919), britanskemu fiziku, ki jih je prvi opisal.

-Waves of Love, avgust Augustus Love, britanski geofizik in matematik (1863-1940), ki je v svojih delih o elastičnosti razvil teorijo teh valov.

V potresnih ti valovi se imenujejo L valovi, da jih ločimo od P valov in S valov, oba pa veljata za volumske valove (telesne valove), ki so tudi rešitev valovne enačbe s pogoji, opisanimi zgoraj. P valovi so vzdolžni, S valovi pa prečni.

Primeri površinskih valov

Rayleigh valovi

V Rayleighovem valu delci valovne fronte vibrirajo v navpični ravnini, zato naj bi bili vertikalno polarizirani. Delci se gibljejo v elipsi, za razliko od valov na površini oceana, katerih gibanje je krožno, kot je bilo rečeno na začetku (čeprav so blizu obale precej eliptične).

Glavna os elipse je navpična, manjša os pa sledi smeri širjenja, kot je prikazano na sliki. Tam je tudi zapisano, da je gibanje retrogradno, torej da se izvaja v smeri proti smeri urinega kazalca.

Slika 4. Rayleigh val. Vir: Lowrie, W. 2007. Osnove geofizike. 2. Izdaja. Cambridge University Press.

Druga pomembna razlika pri vodnih valovih je, da se Rayleigh valovi lahko razmnožujejo le v trdnih medijih, saj obstaja strižna sila, ki se ne pojavi v tekočinah.

Amplituda premika delcev se z globino zmanjšuje eksponencialno, saj je val omejen na površino, čeprav je potres z visoko intenzivnostjo, valovi lahko večkrat obkrožijo Zemljo, preden popolnoma zbledijo .

Valovi ljubezni

V ljubezenskih valovih so delci vodoravno polarizirani in imajo veliko amplitudo gibanja, vzporedno s površino. Premikajo se z nekoliko počasnejšo hitrostjo kot Rayleighovi valovi, čeprav je hitrost pri teh vrstah valov odvisna od valovne dolžine (disperzivni val).

Da se ti valovi lahko širijo, mora biti na sredini plast z nizko hitrostjo, na katero je nameščena vsaj ena plast višje hitrosti. Tako kot Rayleighovi valovi tudi ljubezenski valovi, ki nastanejo med potresom, lahko obkrožijo Zemljo večkrat, preden razpršijo svojo energijo.

Slika 5. Valovi ljubezni. Vir: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Mlet zvitek

Pogosto najdemo to različico Rayleighovih valov, imenovano zemeljski zvitek, v evidencah seizmičnih raziskav. Velja za hrup in se mu je treba izogibati, saj zaradi svoje velike amplitude včasih prikrije odseve, ki jih iščete.

Oceanski valovi

Na veliki globini so oceanski valovi vzdolžni valovi, kot zvočni. To pomeni, da je njegova smer širjenja enaka smeri, v kateri delci vibrirajo.

Vendar ima val v bližini površine vzdolžne in prečne komponente, zaradi česar delci sledijo skoraj krožni poti (glej sliko 2 desno).

Slika 6. Oceanski valovi so površinski valovi. Vir: Pixabay.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Valovi in ​​kvantna fizika. Serija fizike za znanost in tehniko. Uredil D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fizika. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Osnove geofizike. 2. Izdaja. Cambridge University Press.
4. Wikipedija. Valovi ljubezni. Pridobljeno: es.wikipedia.org.
5. Wikipedija. Rayleigh valovi. Pridobljeno: es.wikipedia.org.
6. Wikipedija. Površinski valovi. Pridobljeno: en.wikipedia.org.