Čo sú mechanické vlny, si viete predstaviť tak, že hodíte kameň do vody. Kruhy, ktoré sa na ňom objavujú a sú striedavými korytami a hrebeňmi, sú príkladom mechanických vĺn. Aká je ich podstata? Mechanické vlny sú procesom šírenia vibrácií v elastických médiách.
Vlny na tekutých povrchoch
Takéto mechanické vlny existujú v dôsledku vplyvu medzimolekulových síl a gravitácie na častice kvapaliny. Ľudia tento fenomén študujú už dlho. Najpozoruhodnejšie sú oceánske a morské vlny. So zvyšujúcou sa rýchlosťou vetra sa menia a zvyšuje sa ich výška. Komplikuje sa aj tvar samotných vĺn. V oceáne môžu dosiahnuť desivé rozmery. Jedným z najjasnejších príkladov sily je cunami, ktorá zmetie všetko, čo jej stojí v ceste.
Energia morských a oceánskych vĺn
Pri dosiahnutí pobrežia sa morské vlny zväčšia s prudkou zmenou hĺbky. Niekedy dosahujú výšku niekoľkých metrov. V takýchto chvíľach sa kinetická energia kolosálnej masy vody prenáša na pobrežné prekážky, ktoré sa pod jej vplyvom rýchlo ničia. Sila príboja niekedy dosahuje grandiózne hodnoty.
Elastické vlny
V mechanike sa neštudujú len vibrácie na povrchu kvapaliny, ale aj takzvané elastické vlny. Ide o poruchy, ktoré sa šíria v rôznych médiách pôsobením elastických síl v nich. Takáto perturbácia je akákoľvek odchýlka častíc daného média od rovnovážnej polohy. Dobrým príkladom elastických vĺn je dlhé lano alebo gumená trubica pripevnená k niečomu na jednom konci. Ak ho pevne pritiahnete a potom bočným ostrým pohybom vytvoríte na jeho druhom (nefixovanom) konci poruchu, môžete vidieť, ako „beží“po celej dĺžke lana k podpere a odráža sa späť.
Zdroj mechanických vĺn
Počiatočná porucha vedie k objaveniu sa vlny v médiu. Je to spôsobené pôsobením nejakého cudzieho telesa, ktoré sa vo fyzike nazýva zdrojom vlnenia. Môže to byť ruka človeka, ktorá máva lanom, alebo kamienok hodený do vody. V prípade, že pôsobenie zdroja je krátkodobé, často sa v médiu objaví osamelá vlna. Keď „rušič“vykoná dlhé oscilačné pohyby, vlny sa začnú objavovať jedna za druhou.
Podmienky pre výskyt mechanických vĺn
Tento druh oscilácie nie je vždy vytvorený. Nevyhnutnou podmienkou ich vzniku je výskyt v momente narušenia média síl, ktoré mu bránia, najmä elasticite. Majú tendenciu približovať susedné častice k sebe, keď sa vzďaľujú, a odtláčať ich od seba, keď sa k sebe približujú. Elastické sily pôsobiace na vzdialenú odzdrojom porúch častice, začnú ich vyvádzať z rovnováhy. V priebehu času sú všetky častice média zapojené do jedného oscilačného pohybu. Šírenie takýchto oscilácií je vlna.
Mechanické vlny v elastickom médiu
V elastickej vlne existujú súčasne 2 typy pohybu: oscilácie častíc a šírenie porúch. Pozdĺžna vlna je mechanické vlnenie, ktorého častice kmitajú v smere svojho šírenia. Priečna vlna je vlna, ktorej častice média oscilujú v smere svojho šírenia.
Vlastnosti mechanických vĺn
Perturbácie v pozdĺžnej vlne sú riedenie a stláčanie a pri priečnej vlne sú to posuny (posuny) niektorých vrstiev média vo vzťahu k iným. Deformácia tlakom je sprevádzaná vznikom elastických síl. V tomto prípade je šmyková deformácia spojená s výskytom elastických síl výlučne v pevných látkach. V plynných a kvapalných médiách nie je posun vrstiev týchto médií sprevádzaný objavením sa spomínanej sily. Vďaka svojim vlastnostiam sa pozdĺžne vlny môžu šíriť v akomkoľvek prostredí, zatiaľ čo priečne vlny sa môžu šíriť iba v pevných látkach.
Vlastnosti vĺn na povrchu kvapalín
Vlny na povrchu kvapaliny nie sú pozdĺžne ani priečne. Majú zložitejší, takzvaný pozdĺžno-priečny charakter. V tomto prípade sa častice tekutiny pohybujú v kruhu alebo pozdĺž predĺžených elips. Kruhové pohyby častíc na povrchu kvapaliny a najmä pri veľkých osciláciách sú sprevádzané ich pomalým, ale nepretržitýmpohybujúce sa v smere šírenia vlny. Práve tieto vlastnosti mechanických vĺn vo vode spôsobujú výskyt rôznych plodov mora na brehu.
Frekvencia mechanických vĺn
Ak je v elastickom prostredí (kvapalnom, pevnom, plynnom) vybudená vibrácia jeho častíc, potom sa v dôsledku vzájomného pôsobenia medzi nimi bude šíriť rýchlosťou u. Takže, ak je oscilujúce teleso v plynnom alebo kvapalnom médiu, potom sa jeho pohyb začne prenášať na všetky častice, ktoré s ním susedia. Do procesu zapoja aj ďalších a podobne. V tomto prípade úplne všetky body média začnú oscilovať s rovnakou frekvenciou, ktorá sa rovná frekvencii oscilujúceho telesa. Je to frekvencia vlny. Inými slovami, túto hodnotu možno charakterizovať ako frekvenciu oscilácií bodov v médiu, kde sa vlna šíri.
Nemusí byť hneď jasné, ako k tomuto procesu dochádza. Mechanické vlny sú spojené s prenosom energie kmitavého pohybu z jej zdroja na perifériu média. V dôsledku toho vznikajú takzvané periodické deformácie, ktoré sú prenášané vlnou z jedného bodu do druhého. V tomto prípade sa samotné častice média nepohybujú spolu s vlnou. Kmitajú v blízkosti svojej rovnovážnej polohy. To je dôvod, prečo šírenie mechanického vlnenia nie je sprevádzané presunom hmoty z jedného miesta na druhé. Mechanické vlny majú rôzne frekvencie. Preto boli rozdelené do rozsahov a vytvorili špeciálnu stupnicu. Frekvencia sa meria v hertzoch (Hz).
Základné vzorce
Mechanické vlny, ktorých vzorce výpočtu sú pomerne jednoduché, sú zaujímavým objektom na štúdium. Rýchlosť vlny (υ) je rýchlosť jej predného pohybu (miesto všetkých bodov, do ktorých oscilácia média v danom momente dosiahla):
υ=√G/ ρ, kde ρ je hustota média, G je modul pružnosti.
Pri výpočte si nezamieňajte rýchlosť mechanickej vlny v médiu s rýchlosťou pohybu častíc média, ktoré sa podieľajú na vlnení. Napríklad zvuková vlna sa vo vzduchu šíri s priemernou rýchlosťou vibrácií svojich molekúl 10 m/s, zatiaľ čo rýchlosť zvukovej vlny za normálnych podmienok je 330 m/s.
Predná strana vlny má mnoho foriem, z ktorých najjednoduchšie sú:
• Sférické - spôsobené kolísaním v plynnom alebo kvapalnom médiu. V tomto prípade amplitúda vlny klesá so vzdialenosťou od zdroja v nepriamom pomere k druhej mocnine vzdialenosti.
• Plochá - je rovina, ktorá je kolmá na smer šírenia vlny. Vyskytuje sa napríklad v uzavretom valci piesta pri jeho kmitaní. Rovinná vlna sa vyznačuje takmer konštantnou amplitúdou. Jeho mierny pokles so vzdialenosťou od zdroja rušenia súvisí so stupňom viskozity plynného alebo kvapalného média.
Vlnová dĺžka
Pod vlnovou dĺžkou sa rozumie vzdialenosť, o ktorú sa jej čelo posunie za čas, ktorýsa rovná perióde oscilácie častíc média:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, kde T je perióda oscilácií, υ je rýchlosť vlny, ω je cyklická frekvencia, ν je frekvencia oscilácií bodov média.
Keďže rýchlosť šírenia mechanického vlnenia je úplne závislá od vlastností média, jeho dĺžka λ sa pri prechode z jedného média do druhého mení. V tomto prípade zostáva frekvencia kmitov ν vždy rovnaká. Mechanické a elektromagnetické vlny sú podobné v tom, že keď sa šíria, energia sa prenáša, ale neprenáša sa žiadna hmota.
