LANGSGÅENDE BØLGER: KARAKTERISTIKA, FORSKELLE, EKSEMPLER - FYSISK - 2025

De langsgående bølger er manifesteret i materielle midler, i hvilke partikler svinger parallelt med den retning, bølgen bevæger sig. som det ses på de følgende billeder. Dette er dets særpræg.

Lydbølger, visse bølger, der vises under et jordskælv, og dem, der produceres i en slinky eller forår, når det får en lille impuls i samme retning af dens akse, er gode eksempler på denne bølgeklasse.

Figur 1. Lyd er en langsgående bølge, der producerer successive kompressioner og ekspansioner i luften. Kilde: Wikimedia Commons. Pluke

Lyd produceres, når et objekt (som figurens indstillingsgaffel, et musikinstrument eller blot stemmebåndene) får det til at vibrere i et medium, der er i stand til at overføre forstyrrelsen gennem vibrationerne i dets molekyler. Luft er et passende medium, men også væsker og faste stoffer.

Forstyrrelsen ændrer gentagne gange mediets tryk og densitet. På denne måde producerer bølgen komprimeringer og udvidelser (sjældne reaktioner) i molekylerne i mediet, når energien bevæger sig med en bestemt hastighed v.

Disse trykændringer opfattes af øret gennem vibrationer i trommehinden, som nervenettet er ansvarlig for at omdanne til små elektriske strømme. Når den når hjernen, fortolker den dem som lyde.

I en langsgående bølge kaldes mønsteret, der gentager kontinuerligt en cyklus, og dets varighed er bølgens periode. Der er også amplituden, der er den maksimale intensitet, og som måles i henhold til størrelsen, der tages som en reference, i tilfælde af lyd kan det være variationen i trykket i mediet.

En anden vigtig parameter er bølgelængden: afstanden mellem to på hinanden følgende komprimeringer eller udvidelser, se figur 1. I det internationale system måles bølgelængden i meter. Endelig er der dens hastighed (i meter / sekund for det internationale system), som angiver, hvor hurtigt energien forplantes.

Hvordan vises langsgående bølger i havbølger?

I en akvatisk krop produceres bølger af flere årsager (trykændringer, vinde, gravitationsinteraktioner med andre stjerner). På denne måde kan marine bølger klassificeres i:

- Vindbølger

- Tidevand

- Tsunamis

Beskrivelsen af ​​disse bølger er ret kompliceret. I generelle linjer bevæger bølgerne sig i dybe farvear i længderetningen og frembringer periodiske kompressioner og udvidelser af mediet, som beskrevet i begyndelsen.

På havoverfladen er tingene imidlertid lidt anderledes, da der er overvejende såkaldte overfladebølger, der kombinerer karakteristika for langsgående bølger og tværgående bølger. Derfor er bølgerne, der bevæger sig i dybden i vandmiljøet, meget forskellige fra dem, der bevæger sig på overfladen.

En bjælke, der flyder på havoverfladen, har en slags frem- og tilbagegående eller forsigtigt roterende bevægelse. Faktisk, når bølgerne bryder på kysten, er det de langsgående komponenter i bølgen, der dominerer, og når loggen reagerer på bevægelsen af ​​de vandmolekyler, der omgiver den, observeres den også komme og gå på overfladen.

Figur 2. Havbølger på overfladen er bølger, der dels har langsgående bølgekarakteristika og delvis tværgående. Kilde: Kilde: Vargklo på en.wikipedia

Forholdet mellem dybde og bølgelængde

De faktorer, der bestemmer bølgetypen, der produceres, er: dybden af ​​vandet og bølgelængden af ​​havbølgen. Hvis dybden af ​​vandet på et givet punkt kaldes d, og bølgelængden er λ, går bølgerne fra at være langsgående til overfladiske, når:

På overfladen får vandmolekylerne rotationsbevægelser, som de mister, når dybden øges. Friktion af vandmassen med bunden får disse baner til at blive elliptiske, som vist i figur 2.

På strandene er vandet nær kysten mere rastløse, fordi der bølgerne bryder, vandpartiklerne bremses ned i bunden, og dette får mere vand til at samle sig på bjergene. I dybere farvande opfattes derimod, hvordan bølgerne blødgøres.

Når d >> λ / 2 har vi dybvandsbølger eller korte bølger, cirkulære eller elliptiske bane falder i størrelse og langsgående bølger dominerer. Og hvis d << λ / 2 er bølgerne fra overfladevand eller lange bølger.

Forskelle med forskydningsbølger

Både langsgående og tværgående bølger falder ind i kategorien af ​​mekaniske bølger, som kræver et materielt medium for deres udbredelse.

Den største sondring mellem de to blev nævnt i begyndelsen: i tværgående bølger bevæger mediumets partikler sig vinkelret på bølgens udbredelsesretning, mens de i langsgående bølger svinger i samme retning efterfulgt af forstyrrelsen. Men der er mere særpræg:

Flere forskelle mellem tværgående og langsgående bølger

- I en tværgående bølge adskilles kamber og dale, som i længderetningen svarer til kompressioner og udvidelser.

- En anden forskel er, at langsgående bølger ikke er polariserede, fordi retningen på bølgens hastighed er den samme som bevægelsen af ​​de svingende partikler.

- De tværgående bølger kan forplantes i ethvert medium og endda i et vakuum, såsom elektromagnetiske bølger. På den anden side, inde i væsker, der mangler stivhed, har partiklerne ingen anden mulighed end at glide forbi hinanden og bevæge sig, som forstyrrelsen gør, dvs. i længderetningen.

Som en konsekvens er bølgerne, der stammer fra midten af ​​de oceaniske og atmosfæriske masser, langsgående, da tværgående bølger kræver medier med tilstrækkelig stivhed til at muliggøre de karakteristiske vinkelrette bevægelser.

- Langsgående bølger medfører variationer i tryk og densitet i det medium, gennem hvilket de formerer sig. På den anden side påvirker tværgående bølger ikke mediet på denne måde.

Ligheder mellem langsgående og tværgående bølger

De har de samme dele til fælles: periode, amplitude, frekvens, cykler, fase og hastighed. Alle bølger gennemgår reflektion, brydning, diffraktion, interferens og Doppler-effekten og fører energi gennem mediet.

Selvom toppe og dale er karakteristiske for en tværgående bølge, er kompressionerne i den langsgående bølge analoge med toppe og udvidelserne til dale på en sådan måde, at begge bølger indrømmer den samme matematiske beskrivelse af sinus eller sinusformet bølge.

Eksempler på langsgående bølger

Lydbølger er de mest typiske langsgående bølger og er blandt de mest studerede, da de er fundamentet for kommunikation og musikalsk udtryk, grunde til deres betydning i folks liv. Derudover har lydbølger vigtige anvendelser inden for medicin, både i diagnose og behandling.

Ultralydteknikken er velkendt for at få medicinske billeder såvel som til behandling af nyresten blandt andre anvendelser. Ultralyd genereres af en piezoelektrisk krystal, der er i stand til at skabe en langsgående trykbølge, når et elektrisk felt påføres (det frembringer også en strøm, når trykket påføres).

For virkelig at se, hvordan en langsgående bølge ser ud, er intet bedre end spiralfjedre eller slinkys. Ved at give en lille impuls til fjederen, er det øjeblikkeligt at se, hvordan kompressionerne og udvidelserne forplantes skiftevis gennem svingene.

- Seismiske bølger

Langsgående bølger er også en del af seismiske bevægelser. Jordskælv består af forskellige slags bølger, herunder P eller primære bølger og S eller sekundære bølger. Førstnævnte er langsgående, mens i sidstnævnte vibrerer mediumpartiklerne i en retning på tværs af bølgenes forskydning.

I jordskælv produceres både langsgående bølger (primære P-bølger) og tværgående bølger (sekundære S-bølger) og andre typer, såsom overflade Rayleigh-bølger og Love-bølger.

Faktisk er langsgående bølger de eneste, der vides at rejse gennem Jordens centrum. Da de kun bevæger sig i flydende eller luftformige medier, mener forskere, at Jordens kerne hovedsageligt består af smeltet jern.

- Ansøgningsøvelse

P-bølgerne og S-bølgerne produceret under et jordskælv rejser med forskellige hastigheder på Jorden, så deres ankomsttider på seismografiske stationer er forskellige (se figur 3). Takket være dette er det muligt at bestemme afstanden til jordskælvets episenter ved triangulering ved hjælp af data fra tre eller flere stationer.

Figur 3. De seismiske bølger P og S ankommer seismograferne med forskellige tidspunkter, da deres hastigheder er forskellige. Kilde: Wikimedia Commons.

Antag, at v _P = 8 km / s er hastigheden på P-bølgerne, mens hastigheden på S-bølgerne er v _S = 5 km / s. P-bølgerne ankommer 2 minutter før de første S-bølger. Hvordan beregnes afstanden fra episentret?

Svar

Lad D være afstanden mellem episentret og den seismologiske station. Med de leverede data kan rejsetiden t _P og t _S for hver bølge findes:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Forskellen er Δt = t _S - t _P:

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

Løsning for værdien af ​​D:

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

At vide, at 2 minutter = 120 sekunder og erstatte resten af ​​værdierne:

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

Referencer

1. Forskel mellem tværgående og langsgående bølger. Gendannes fra: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Bølger og kvantefysik. Fysikserie for videnskab og teknik. Bind 7. Redigeret af Douglas Figueroa. Simon Bolivar University. 1-58.
3. Infrasound og ultralyd. Gendannes fra: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. langsgående og tværgående bølgebevægelse. Hentet fra: acs.psu.edu.
6. Vandbølger. Hentet fra: labman.phys.utk.edu.