OVERFLADEBØLGER: KARAKTERISTIKA, TYPER OG EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Overfladeaktive bølger er dem, hvori de vibrerende partikler har bevægelse i to dimensioner, såsom bølger, der produceres, når en sten hældt i en dam eller en sø.

Denne type bølge forekommer ved grænsefladen mellem to forskellige medier, såsom havet og luften, eller mellem jordoverfladen og luften. Dette er bølger, hvor partiklerne oplever tværgående kombineret med langsgående forskydninger, det vil sige to-dimensionelle.

Figur 1. Overfladebølger i en dam. Kilde: Pixabay.

F.eks. Bevæger vandpartiklerne på havoverfladen - bølger - sig i cirkulære stier. Når bølgerne bryder på kysten, dominerer langsgående forskydninger, og derfor ses tang eller et stykke træ, der flyder, bevæge sig glat fra forreste til bagerste.

Bølger bevæger sig også på jordoverfladen på en måde, der er analog med havbølger. De kører med en langsommere hastighed end bølgerne, der bevæger sig internt gennem jordens volumen, men de er i stand til lettere at skabe resonans i bygninger.

Da bølger producerer vibrationer og bærer energi, har de destruktive effekter under jordskælv.

Figur 2. Overfladebølger i havet. Vandpartiklerne bevæger sig med uret, når bølgen bevæges fra venstre mod højre. På det højeste punkt befinder de sig på bølgens toppen, mens det laveste punkt kaldes kanalen. Kilde til venstre figur: F. Zapata. Højre figurkilde: Giambattista, A. 2010. Fysik. 2nd. Edition. McGraw Hill.

Typer af overfladebølger

Enhver bølgetype, uanset om den er overfladisk eller ikke, er en løsning af bølgeforligningen, der anvendes til næsten enhver type bølgebevægelse, ikke kun mekanisk, som i de beskrevne eksempler, men også elektromagnetiske bølger, som er en forskellige slags bølger, da de er tværgående.

Bølgeforligningen, der opnås under hensyntagen til Newtons anden lov, er skrevet sådan:

I ovenstående ligning er u den bølgefunktion, der afhænger af de tre rumlige koordinater x, y og z plus tid t: u = u (x, y, z, t). Desuden er v hastigheden for forstyrrelsen. Bølgeforligningen kan angives i andre koordinatsystemer afhængigt af den krævede geometri.

For at finde løsningen på ligningen justeres den til betingelserne for problemet, hvor for eksempel geometrien er afgrænset og egenskaberne for det medium, gennem hvilket forstyrrelsesbevægelserne etableres.

Der er mange typer overfladebølger, såsom:

-Gravitationsbølger (tyngdekraftbølger) som havbølger beskrevet i begyndelsen, hvor tyngdekraften giver en gendannende kraft, der tillader tværgående bevægelse.

-Overfladen kvælder i en dam, her er overfladespændingen i vandet, der udøver som en gendannende kraft.

- Overfladelastiske bølger, der bevæger sig på jordoverfladen under et jordskælv.

-Elektromagnetiske bølger, som til trods for at være tværgående, kan styres korrekt til at bevæge sig på en overflade.

-Nogle typer bølger, der produceres i strengene på en guitar, når strengene slås med kraft.

Overfladiske elastiske bølger på jordoverfladen

Figur 3. Overfladebølge på jordoverfladen. Partiklenes bevægelse er en kombination af tværgående og langsgående forskydninger. Kilde: Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Edition. McGraw Hill.

Når vi løser bølgeforligningen, svarer løsningen, som vi har sagt, til forskellige bølgetyper. Når forstyrrelsen bevæger sig i et solidt medium som jordskorpen, er det muligt at tage nogle antagelser om det, der forenkler processen.

Af denne grund betragtes mediet som perfekt elastisk, homogent og isotropisk, hvilket betyder, at dets egenskaber er de samme uanset position eller retning.

Med dette i tankerne svarer to af opløsningerne til bølgeforligningen i et elastisk medium til overfladebølger:

- Waves of Rayleigh, opkaldt efter Lord Rayleigh (1842-1919), den britiske fysiker, der først beskrev dem.

-Waves of Love, af Augustus Love, den britiske geofysiker og matematiker (1863-1940), der udviklede teorien om disse bølger i sine værker om elasticitet.

I seismik kaldes disse bølger L-bølger for at differentiere dem fra P-bølger og S-bølger, begge betragtes som volumenbølger (kropsbølger), som også er en løsning på bølgeforligningen med de betingelser, der er beskrevet ovenfor. P-bølger er langsgående, og S-bølger er tværgående.

Eksempler på overfladebølger

Rayleigh bølger

I en Rayleigh-bølge vibrerer bølgefrontpartiklerne i det lodrette plan, derfor siges de at være lodret polariserede. Partiklerne bevæger sig i en ellipse, i modsætning til bølgerne på havets overflade, hvis bevægelse er cirkulær, som det blev sagt i begyndelsen (selvom de nær kysten er de temmelig elliptiske).

Ellipsens hovedakse er lodret, og den mindre akse følger udbredelsesretningen som vist på figuren. Der bemærkes også, at bevægelsen er retrograd, dvs. at den udføres i retning mod uret.

Figur 4. Rayleigh-bølge. Kilde: Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2nd. Edition. Cambridge University Press.

En anden vigtig forskel med vandbølger er, at Rayleigh-bølger kun kan forplantes i faste medier, da der er en forskydningskraft, der ikke forekommer i væsker.

Amplituden af ​​partikelfortrængningen falder eksponentielt med dybden, da bølgen er begrænset til overfladen, selvom det er et jordskælv med høj intensitet, kan bølgerne cirkle jorden flere gange, før de forsvinder helt..

Bølger af kærlighed

I Love Wave er partiklerne vandret polariserede og har en stor bevægelsesamplitude parallelt med overfladen. De bevæger sig med en lidt langsommere hastighed end Rayleigh-bølger, selvom hastigheden i disse bølgetyper afhænger af bølgelængden (spredningsbølgen).

For at disse bølger skal forplantes, skal der være et lavhastighedslag, der er overlejret på mindst et lag med højere hastighed i midten. Ligesom Rayleigh-bølger, kan kærlighedsbølger produceret under et jordskælv cirkle jorden flere gange, før de spreder deres energi.

Figur 5. Bølger af kærlighed. Kilde: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Jordrulle

Det er almindeligt at finde denne variant af Rayleigh-bølger, kaldet bakkerulle, i seismiske efterforskningsregistre. Det betragtes som støj og skal undgås, fordi det på grund af sin store amplitude undertiden maskerer de reflektioner, som du ønsker at se.

Havbølger

Ved stor dybde er havbølger langsgående bølger, ligesom lyd. Dette betyder, at dens udbredelsesretning er den samme som den retning, i hvilken partiklerne vibrerer.

Bølgen nær overfladen har imidlertid både langsgående og tværgående komponenter, hvilket får partiklerne til at følge en næsten cirkulær bane (se figur 2 til højre).

Figur 6. Oceanbølger er overfladebølger. Kilde: Pixabay.

Referencer

1. Figueroa, D. 2005. Bølger og kvantefysik. Fysikserie for videnskab og teknik. Redigeret af D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fysik. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2nd. Edition. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Bølger af kærlighed. Gendannet fra: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh bølger. Gendannet fra: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Overfladebølger. Gendannet fra: en.wikipedia.org.