FELSZÍNI HULLÁMOK: JELLEMZŐK, TÍPUSOK ÉS PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

A felszíni hullámok azok, amelyekben a vibráló részecskék két dimenzióban vannak mozgásban, például azok a hullámok, amelyek akkor fordulnak elő, amikor egy kő egy tóba vagy tóba esik.

Ez a fajta hullám két különféle közeg, például az óceán és a levegő, illetve a Föld és a levegő felülete közötti határfelületen fordul elő. Ezek olyan hullámok, amelyekben a részecskék keresztirányban élnek, hosszanti elmozdulásokkal kombinálva, vagyis kétdimenziós.

1. ábra. A tó felszíni hullámai. Forrás: Pixabay.

Például az óceán felszínén lévõ vízszemcsék - hullámok - körkörös úton mozognak. Amikor a hullámok a parton törnek, hosszanti elmozdulások dominálnak, és ezért látható, hogy a tengeri moszat vagy a lebegő fadarab simán mozog elölről hátulra.

A hullámok az óceánhullámokhoz hasonló módon mozognak a Föld felszínén. Lassabb sebességgel haladnak, mint a belső térben áthaladó hullámok, de könnyebben képesek rezonanciát okozni az épületekben.

Mivel a hullámok rezgéseket generálnak és energiát hordoznak, pusztító hatásúak a földrengések során.

2. ábra. Felszíni hullámok az óceánban. A vízszemcsék az óramutató járásával megegyezően mozognak, amikor a hullám balról jobbra mozog. A legmagasabb ponton a hullám csúcsán vannak, míg a legalacsonyabb pontot csatornanak nevezik. A bal oldali ábra forrása: F. Zapata. A jobb oldali ábra forrása: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Kiadás. McGraw Hill.

A felszíni hullámok típusai

Bármely típusú hullám, akár felületes, akár nem, a hullámagyenlet olyan megoldása, amely szinte bármilyen típusú hullámmozgásra vonatkozik, nemcsak mechanikus, mint a leírt példákban, hanem az elektromágneses hullámokra is, amelyek egy különböző típusú hullámok, mivel keresztirányúak.

A hullám-egyenlet, amelyet Newton második törvényének figyelembevételével kapunk, így van írva:

A fenti egyenletben u az a hullámfüggvény, amely a három x, y és z térbeli koordinátától, valamint a t időtől függ: u = u (x, y, z, t). Ezen felül v a zavar sebessége. A hullámagyenlet más koordinátarendszerekben is megadható, a szükséges geometriától függően.

Az egyenlet megoldásának megtalálásához azt hozzá kell igazítani a probléma körülményeihez, amelyben például a geometria meg van határozva, és meghatározásra kerül annak a közegnek a tulajdonságai, amelyen keresztül a zavar mozog.

Sokféle felszíni hullám létezik, például:

-Gravitációs hullámok (gravitációs hullámok), mint az elején leírt óceánhullámok, amelyekben a gravitáció egy helyreállító erőt biztosít, amely lehetővé teszi a keresztirányú mozgást.

-A felület megduzzad egy tóban, itt a víz felületi feszültsége áll, amely helyreállító erőt jelent.

- Rugalmas felszíni hullámok, amelyek földrengés közben mozognak a Föld felületén.

- Az elektromágneses hullámok, amelyek keresztirányúak ellenére, megfelelő módon vezérelhetők a felületen történő mozgáshoz.

- Bizonyos típusú hullámok, amelyek gitár húrjaiban keletkeznek, amikor a húrokat erővel ütik el.

Felületes rugalmas hullámok a föld felszínén

3. ábra. A felszíni hullám. A részecskék mozgása keresztirányú és hosszirányú elmozdulások kombinációja. Forrás: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Kiadás. McGraw Hill.

A hullámagyenlet megoldásakor a megoldások - amint mondtuk - különféle típusú hullámoknak felelnek meg. Amikor a zavar egy szilárd közegben, például a földkéregben mozog, lehetséges, hogy róla feltesszük néhány, a folyamatot egyszerűsítő feltételezést.

Ezért a közeget tökéletesen rugalmasnak, homogénnek és izotrópnak tekintik, ami azt jelenti, hogy tulajdonságai azonosak, pozíciójától vagy irányától függetlenül.

Ezt szem előtt tartva, a rugalmas közegben a hullámagyenlet két megoldása megfelel a felületi hullámoknak:

- Rayleigh hullámai, Lord Rayleigh (1842-1919), a brit fizikus, aki először írta le őket.

-A Szerelem hullámai, Augustus Love, brit geofizikus és matematikus (1863-1940), aki ezeknek a hullámoknak az elméletét fejlesztette ki rugalmassági munkáiban.

A szeizmikusban ezeket a hullámokat L hullámoknak nevezik, hogy megkülönböztessék őket a P hullámoktól és az S hullámoktól, mindkettőt térfogati hullámoknak (testhullámoknak) tekintve, amelyek szintén megoldást nyújtanak a hullám-egyenletre a fent leírt körülmények között. P hullámok hosszanti és S hullámok keresztirányúak.

Példák a felszíni hullámokra

Rayleigh hullámok

Rayleigh-hullámban a hullámfront részecskék a függőleges síkban rezegnek, ezért állítólag függőlegesen polarizálódnak. A részecskék ellipszisben mozognak, ellentétben az óceán felszínén lévő hullámokkal, amelyek mozgása kör alakú, amint azt az elején elmondták (bár a part közelében közel meglehetősen elliptikusak).

Az ellipszis főtengelye függőleges, a melléktengely pedig a terjedési irányt követi, az ábra szerint. Azt is meg kell jegyezni, hogy a mozgás hátrafelé mutat, azaz az óramutató járásával ellentétes irányban hajtódik végre.

4. ábra. Rayleigh hullám. Forrás: Lowrie, W. 2007. A geofizika alapjai. 2.. Kiadás. Cambridge University Press.

Egy másik fontos különbség a vízhullámokkal szemben az, hogy a Rayleigh-hullámok csak szilárd közegekben terjedhetnek, mivel van olyan nyíróerő, amely nem fordul elő folyadékokban.

A részecske elmozdulásának amplitúdója a mélységgel exponenciálisan csökken, mivel a hullám a felületre korlátozódik, bár ha ez egy nagy intenzitású földrengés, a hullámok többször körbevehetik a Földet, mielőtt teljesen elhalványulnak.

A szerelem hullámai

A szerelem hullámaiban a részecskék vízszintesen polarizálódnak és nagy mozgási amplitúdóval rendelkeznek a felülettel párhuzamosan. Kissé lassabban mozognak, mint a Rayleigh hullámok, bár az ilyen típusú hullámok sebessége a hullámhossztól (diszpergáló hullám) függ.

Ahhoz, hogy ezek a hullámok terjedjenek, legalább egy nagyobb sebességű réteg közepén legyen egy alacsony sebességű réteg. A Rayleigh-hullámokhoz hasonlóan a földrengés során keletkezett Szerelemhullámok is többször körözhetnek a Földön, mielőtt eloszlatnák energiájukat.

5. ábra. A szerelem hullámai. Forrás: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Földhenger

Gyakran előfordul, hogy a szeizmikus kutatási nyilvántartásokban megtalálják a Rayleigh-hullámoknak ezt a földi tekercsnek nevezett változatát. Zajnak tekintjük, és kerülendő, mivel nagy amplitúdója miatt néha elfedi a visszatükröződéseket, amelyeket látni szeretne.

óceánhullámok

Az óceánhullámok nagy mélységben hosszanti hullámok, hasonlóan a hanghullámokhoz. Ez azt jelenti, hogy terjedési iránya megegyezik a részecskék rezegésének irányával.

A hullámnak azonban a felület közelében van mind hosszanti, mind keresztirányú komponensei, így a részecskék szinte kör alakú pályát követnek (lásd a 2. ábrát jobbra).

6. ábra. Az óceánhullámok felszíni hullámok. Forrás: Pixabay.

Irodalom

1. Figueroa, D. 2005. Hullámok és kvantumfizika. Fizikai sorozat a tudomány és a technika számára. Szerkesztette D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fizika. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. A geofizika alapjai. 2.. Kiadás. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. A szerelem hullámai. Helyreállítva: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh hullámok. Helyreállítva: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Felszíni hullámok. Helyreállítva: en.wikipedia.org.