HOSSZANTI HULLÁMOK: JELLEMZŐK, KÜLÖNBSÉGEK, PÉLDÁK - FIZIKAI - 2025

A hosszirányú hullámok olyan anyagi eszközökben nyilvánulnak meg, amelyekben a részecskék a hullám menetirányával párhuzamosan oszkálnak. amint az a következő képeken is látható lesz. Ez a megkülönböztető tulajdonsága.

A hanghullámok, bizonyos hullámok, amelyek egy földrengés során jelentkeznek, és azok, amelyek nyomorúságban vagy tavasszal keletkeznek, amikor a tengelyével azonos irányba kis impulzust kapnak, jó példák erre a hullámosztályra.

1. ábra: A hang egy hosszanti hullám, amely egymást követő kompressziót és expanziót eredményez a levegőben. Forrás: Wikimedia Commons. Pluke

A hang akkor keletkezik, amikor egy tárgy (például a figura hangvillája, hangszer vagy egyszerűen a hangkábelek) olyan közegben rezegtetik, amely képes a zavart molekuláinak vibrációja révén továbbítani. A levegő megfelelő közeg, de a folyadékok és a szilárd anyagok is.

A zavar többször módosítja a közeg nyomását és sűrűségét. Ilyen módon a hullám a közeg molekuláiban kompressziót és expanziót (ritka frekvenciákat) generál, mivel az energia meghatározott v sebességgel mozog.

Ezeket a nyomásváltozásokat a fül érzékelte a bordás rezgésein keresztül, amelyek az ideghálózat feladata az apró elektromos áramokká történő átalakulás. Az agy elérésekor hangként értelmezi őket.

Hosszanti hullámban a folyamatosan ismétlődő mintázatot ciklusnak nevezzük, amelynek időtartama a hullám periódusa. Van még az amplitúdó, amely a maximális intenzitás, és amelyet referenciaként vett nagyság szerint mérnek, hang esetén ez lehet a közeg nyomásának változása.

Egy másik fontos paraméter a hullámhossz: a két egymást követő összenyomás vagy expanzió közötti távolság, lásd az 1. ábrát. A Nemzetközi Rendszerben a hullámhosszt méterben mérik. Végül megvan a sebessége (méter / másodpercben a Nemzetközi Rendszer számára), amely jelzi, hogy az energia milyen gyorsan terjed.

Hogyan jelennek meg a hosszanti hullámok az óceánhullámokban?

A vízi testben a hullámokat több ok okozza (nyomásváltozás, szél, gravitációs kölcsönhatások más csillagokkal). Ilyen módon a tengeri hullámok az alábbiak szerint osztályozhatók:

- Szél hullámai

- Árapályok

- Cunamik

Ezeknek a hullámoknak a leírása meglehetősen összetett. Általánosságban elmondható, hogy a mély vizekben a hullámok hosszirányban mozognak, és a közeg időszakos összenyomódását és expanzióját eredményezik, az elején leírtak szerint.

A tenger felszínén azonban a dolgok kissé eltérnek, mivel vannak domináns úgynevezett felszíni hullámok, amelyek egyesítik a hosszanti és a keresztirányú hullámok jellemzőit. Ezért a vízi környezet mélységében mozgó hullámok nagyban különböznek a felszínen mozgó hullámoktól.

A tenger felszínén lebegő rönk egyfajta oda-vissza mozgó vagy enyhén forgó mozgással rendelkezik. Valójában, amikor a hullámok a parton törnek, akkor a hullám hosszanti komponensei dominálnak, és mivel a rönk reagál a körülvevő vízmolekulák mozgására, azt is megfigyelik, hogy a felszínen jön és megy.

2. ábra. A felszíni tengeri hullámok olyan hullámok, amelyeknek részben hosszanti hullámaik vannak, részben keresztirányúak. Forrás: Forrás: Vargklo at en.wikipedia

A mélység és a hullámhossz közötti kapcsolat

A keletkező hullám típusát a következő tényezők határozzák meg: a víz mélysége és a tenger hullámának hullámhossza. Ha a víz mélységét egy adott ponton d-nek nevezzük, és a hullámhossz λ, akkor a hullámok hosszantiból felületeskké válnak, ha:

A felszínen a vízmolekulák olyan forgási mozgásokat szereznek, amelyeket elvesznek a mélység növekedésével. A víztömeg alsó súrlódása miatt ezek a pályák ellipszis alakúvá válnak, amint az a 2. ábrán látható.

A tengerparton a part közelében fekvő vizek nyugtalanultak, mert ott hullámok szakadnak meg, a víz részecskéi lelassulnak, és ez több vizet halmozódik fel a gerincen. A mélyebb vizekben viszont észlelhető, hogy a hullámok miközben lágyulnak.

Amikor d >> λ / 2 mélytengeri vagy rövid hullámok vannak, a kör- vagy elliptikus pályák méretének csökkenése és a hosszanti hullámok dominálnak. És ha d << λ / 2, akkor a hullámok felszíni vizekből vagy hosszú hullámokból származnak.

Különbségek a nyíróhullámok között

Mind a hosszanti, mind a keresztirányú hullámok a mechanikai hullámok kategóriájába tartoznak, amelyek terjedéséhez anyagi közeg szükséges.

A kettő közötti fő különbséget az elején megemlítettük: a keresztirányú hullámokban a közeg részecskék merőlegesen mozognak a hullám terjedési irányára, míg a hosszanti hullámok ugyanabba az irányba oszlanak, amelyet a zavarás követ. De vannak megkülönböztető tulajdonságok:

Több különbség a keresztirányú és a hosszanti hullámok között

- Egy keresztirányú hullámban megkülönböztetjük a héjakat és a völgyeket, amelyek hosszirányban megegyeznek a kompressziókkal és expanziókkal.

- Egy másik különbség az, hogy a hosszanti hullámok nem polarizálódnak, mivel a hullám sebességének iránya megegyezik az oszcilláló részecskék mozgásának irányával.

- A keresztirányú hullámok bármilyen közegben és akár vákuumban is terjedhetnek, például elektromágneses hullámok. Másrészről, a merevség nélküli folyadékokon belül a részecskéknek nincs más lehetősége, mint hogy elcsúszjanak egymás mellett, és úgy mozogjanak, mint a zavar, vagyis hosszirányban.

Következésképpen az óceáni és a légköri tömeg közepéből származó hullámok hosszirányúak, mivel a keresztirányú hullámoknak megfelelő merevségű közegre van szükségük a jellegzetes merőleges mozgások lehetővé tételéhez.

- A hosszanti hullámok nyomás- és sűrűségváltozásokat okoznak a közegben, amelyen keresztül terjednek. Másrészt a keresztirányú hullámok nem befolyásolják a közeget.

A hosszanti és keresztirányú hullámok hasonlóságai

Ugyanaz a közös részük: szakasz, amplitúdó, frekvencia, ciklusok, fázis és sebesség. Minden hullám reflexión, refrakción, diffrakción, interferencián és Doppler-effektuson megy keresztül, és energiát hordoz a közegen.

Annak ellenére, hogy a csúcsok és a völgyek megkülönböztetik a keresztirányú hullámokat, a hosszanti hullámban a kompresszió analóg a csúcsokkal és a völgyek kiterjedésével, oly módon, hogy mindkét hullám ugyanazt a matematikai leírást ismeri el a szinusz vagy a szinusz hullámban.

Példák a hosszanti hullámokra

A hanghullámok a legjellemzőbb longitudinális hullámok, és a leginkább tanulmányozottak között vannak, mivel ezek képezik a kommunikáció és a zenei kifejezés alapját, okaik ezek fontosságának az emberek életében. Ezenkívül a hanghullámok fontos alkalmazásokat mutatnak az orvostudományban, mind a diagnózisban, mind a kezelésben.

Az ultrahang technika jól ismert orvosi képek készítésére, valamint vesekő kezelésére, többek között az alkalmazások számára. Az ultrahangot egy piezoelektromos kristály generálja, amely képes hosszirányú nyomáshullámot létrehozni, amikor elektromos mezőt alkalmaznak rá (ez szintén áramot generál, amikor rá van nyomva).

Ahhoz, hogy valóban megnézze, mit néz ki a hosszanti hullám, semmi jobb, mint a rugó vagy a rugó. Azáltal, hogy egy kis impulzust ad a rugónak, azonnal megfigyelhető, hogy a kompressziók és a tágulások váltakozva haladjanak fel a forgások során.

- Szeizmikus hullámok

A hosszanti hullámok szintén a szeizmikus mozgások részét képezik. A földrengések különféle hullámokból állnak, amelyek között vannak P vagy primer hullámok és S vagy másodlagos hullámok. Az elsők hosszirányúak, míg az utóbbiokban a közepes részecskék a hullám elmozdulásával keresztirányban rezegnek.

A földrengések során a hosszanti hullámok (elsődleges P hullámok) és a keresztirányú hullámok (másodlagos S hullámok), valamint más típusú, például a Rayleigh hullámok és a szeretet hullámai keletkeznek a felszínen.

Valójában a hosszanti hullámok az egyetlen ismert, amelyek áthaladnak a Föld központjában. Mivel csak folyékony vagy gáznemű közegben mozognak, a tudósok úgy gondolják, hogy a Föld magja főleg olvadt vasból áll.

- Alkalmazási gyakorlat

A földrengés során keletkező P hullámok és S hullámok különböző sebességgel haladnak a Földön, tehát érkezésük ideje a szeizmográfiai állomásokon eltérő (lásd a 3. ábrát). Ennek köszönhetően három vagy több állomás adataival háromszögeléssel meg lehet határozni a földrengés epicentrumától való távolságot.

3. ábra. A P és S szeizmikus hullámok különböző időpontokban érkeznek a szeismográfokhoz, mivel azok sebessége eltérő. Forrás: Wikimedia Commons.

Tegyük fel, hogy v _P = 8 km / s a ​​P hullámok sebessége, míg az S hullámok sebessége v _S = 5 km / s. A P hullámok 2 perccel az első S hullám előtt érkeznek, hogyan lehet kiszámítani az epicentrustól való távolságot?

Válasz

Legyen D az epicentrum és a szeizmológiai állomás közötti távolság. A megadott adatokkal az egyes hullámok t _P és t _S utazási ideje megtalálható:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

A különbség Δt = t _S - t _P:

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

A D érték megoldása:

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

Tudva, hogy 2 perc = 120 másodperc, és felváltja a többi értéket:

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

Irodalom

1. Különbség a keresztirányú és a hosszanti hullámok között. Helyreállítva a következő címen: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Hullámok és kvantumfizika. Fizikai sorozat a tudomány és a technika számára. 7. kötet. Szerkesztette Douglas Figueroa. Simon Bolivar Egyetem. 1-58.
3. Infravörös és ultrahang. Helyreállítva: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Hossz- és keresztirányú hullámmozgás. Vissza a következőhöz: acs.psu.edu.
6. Vízhullámok. Vissza a következőhöz: labman.phys.utk.edu.