يمكنك تخيل الموجات الميكانيكية بإلقاء حجر في الماء. الدوائر التي تظهر عليها والتي تتناوب القيعان والتلال هي مثال على الموجات الميكانيكية. ما هو جوهرهم؟ الموجات الميكانيكية هي عملية انتشار الاهتزاز في وسط مرن.
موجات على الأسطح السائلة
توجد هذه الموجات الميكانيكية بسبب تأثير القوى بين الجزيئات والجاذبية على جزيئات السائل. كان الناس يدرسون هذه الظاهرة لفترة طويلة. وأبرزها هي أمواج المحيطات والبحر. مع زيادة سرعة الرياح ، فإنها تتغير ويزداد ارتفاعها. يصبح شكل الموجات نفسها أكثر تعقيدًا أيضًا. في المحيط ، يمكن أن تصل إلى أبعاد مخيفة. من أوضح الأمثلة على القوة تسونامي الذي يكتسح كل شيء في طريقه.
طاقة أمواج البحر والمحيطات
عند الوصول إلى الشاطئ تزداد أمواج البحر مع تغير حاد في العمق. يصل ارتفاعها أحيانًا إلى عدة أمتار. في مثل هذه اللحظات ، يتم نقل الطاقة الحركية لكتلة هائلة من المياه إلى العوائق الساحلية ، والتي يتم تدميرها بسرعة تحت تأثيرها. تصل قوة الأمواج أحيانًا إلى قيم عظيمة.
موجات مرنة
في الميكانيكا ، لا تتم دراسة الاهتزازات على سطح السائل فحسب ، بل تتم أيضًا دراسة ما يسمى بالموجات المرنة. هذه الاضطرابات التي تنتشر في وسائط مختلفة تحت تأثير القوى المرنة فيها. مثل هذا الاضطراب هو أي انحراف في جسيمات وسيط معين عن موضع التوازن. خير مثال على الأمواج المرنة هو حبل طويل أو أنبوب مطاطي متصل بشيء في أحد طرفيه. إذا شدته بقوة ، ثم أحدثت اضطرابًا في نهايته الثانية (غير المثبتة) بحركة جانبية حادة ، يمكنك أن ترى كيف "يجري" بطول الحبل بالكامل إلى الدعم وينعكس للخلف.
مصدر الموجات الميكانيكية
الاضطراب الأولي يؤدي إلى ظهور موجة في الوسط. وهو ناتج عن عمل بعض الأجسام الغريبة ، وهو ما يسمى في الفيزياء بمصدر الموجة. يمكن أن تكون يد شخص يتأرجح بحبل ، أو حصاة ملقاة في الماء. في الحالة التي يكون فيها عمل المصدر قصير الأجل ، غالبًا ما تظهر موجة منفردة في الوسط. عندما يقوم "المشتت" بحركات تذبذبية طويلة ، تبدأ الموجات في الظهور واحدة تلو الأخرى.
شروط حدوث الموجات الميكانيكية
لا يتشكل هذا النوع من التذبذب دائمًا. الشرط الضروري لظهورها هو حدوث اضطراب في وسط القوى الذي يمنعه ، على وجه الخصوص ، المرونة. تميل إلى تقريب الجسيمات المجاورة من بعضها عندما تتحرك بعيدًا ، وتدفعها بعيدًا عن بعضها البعض عندما تقترب من بعضها البعض. القوى المرنة التي تعمل على بعد منمصدر اضطراب الجسيم ، تبدأ في إخراجها من التوازن. بمرور الوقت ، تشارك جميع جسيمات الوسط في حركة تذبذبية واحدة. انتشار مثل هذه التذبذبات هو الموجة
موجات ميكانيكية في وسط مرن
في الموجة المرنة ، هناك نوعان من الحركة في وقت واحد: تذبذبات الجسيمات وانتشار الاضطراب. الموجة الطولية هي موجة ميكانيكية تتأرجح جسيماتها على طول اتجاه انتشارها. الموجة المستعرضة هي موجة تتأرجح جسيماتها المتوسطة عبر اتجاه انتشارها.
خصائص الموجات الميكانيكية
الاضطرابات في الموجة الطولية هي خلخلة وانضغاط ، وفي الموجة المستعرضة تكون تحولات (إزاحات) لبعض طبقات الوسط بالنسبة إلى طبقات أخرى. يترافق تشوه الانضغاط مع ظهور قوى مرنة. في هذه الحالة ، يرتبط تشوه القص بظهور قوى مرنة حصريًا في المواد الصلبة. في الوسائط الغازية والسائلة ، لا يقترن انزياح طبقات هذه الوسائط بظهور القوة المذكورة. نظرًا لخصائصها ، يمكن للموجات الطولية أن تنتشر في أي وسط ، بينما الموجات المستعرضة يمكن أن تنتشر فقط في المواد الصلبة.
ملامح الأمواج على سطح السوائل
الموجات الموجودة على سطح السائل ليست طولية ولا عرضية. لديهم طابع أكثر تعقيدًا ، ما يسمى بالطابع العرضي الطولي. في هذه الحالة ، تتحرك جزيئات السائل في دائرة أو على طول القطع الناقص الممدود. تصاحب الحركات الدائرية للجسيمات على سطح السائل ، وخاصة أثناء التذبذبات الكبيرة ، بطيئتها ولكن مستمرةتتحرك في اتجاه انتشار الموجة. هذه الخصائص للأمواج الميكانيكية في الماء هي التي تسبب ظهور العديد من المأكولات البحرية على الشاطئ.
تردد الموجة الميكانيكية
إذا كان اهتزاز جزيئاته في وسط مرن (سائل ، صلب ، غازي) متحمسًا ، فبسبب التفاعل بينهما ، سينتشر بسرعة u. لذلك ، إذا كان الجسم المتأرجح في وسط غازي أو سائل ، فإن حركته ستبدأ في الانتقال إلى جميع الجسيمات المجاورة له. سيشركون التاليين في العملية وما إلى ذلك. في هذه الحالة ، ستبدأ جميع نقاط الوسط تمامًا في التذبذب بنفس التردد ، مساوٍ لتردد الجسم المتأرجح. إنه تردد الموجة. بمعنى آخر ، يمكن وصف هذه القيمة بأنها تردد التذبذب للنقاط في الوسط حيث تنتشر الموجة.
قد لا يكون من الواضح على الفور كيف تحدث هذه العملية. ترتبط الموجات الميكانيكية بنقل طاقة الحركة التذبذبية من مصدرها إلى محيط الوسط. نتيجة لذلك ، تنشأ ما يسمى بالتشوهات الدورية ، والتي تحملها الموجة من نقطة إلى أخرى. في هذه الحالة ، لا تتحرك جزيئات الوسط مع الموجة. تتأرجح بالقرب من وضع التوازن. هذا هو السبب في أن انتشار الموجة الميكانيكية لا يقترن بنقل المادة من مكان إلى آخر. الموجات الميكانيكية لها ترددات مختلفة. لذلك ، تم تقسيمهم إلى نطاقات وإنشاء مقياس خاص. يتم قياس التردد بالهرتز (هرتز).
الصيغ الأساسية
الموجات الميكانيكية ، معادلاتها الحسابية بسيطة للغاية ، هي موضوع مثير للدراسة. سرعة الموجة (υ) هي سرعة حركتها الأمامية (موضع جميع النقاط التي وصل إليها تذبذب الوسط في الوقت الحالي):
υ=G / ρ ،
حيث ρ هي كثافة الوسط ، و G هي معامل المرونة.
عند الحساب ، لا تخلط بين سرعة الموجة الميكانيكية في الوسط وسرعة حركة جسيمات الوسط التي تشارك في عملية الموجة. لذلك ، على سبيل المثال ، تنتشر موجة صوتية في الهواء بمتوسط سرعة اهتزاز لجزيئاتها تبلغ 10 م / ث ، بينما تبلغ سرعة الموجة الصوتية في الظروف العادية 330 م / ث.
مقدمة الموجة تأتي بأشكال عديدة ، أبسطها:
• كروي - ناتج عن تقلبات في وسط غازي أو سائل. في هذه الحالة ، اتساع الموجة يتناقص مع المسافة من المصدر في تناسب عكسي مع مربع المسافة.
• مسطح - مستوى عمودي على اتجاه انتشار الموجة. يحدث ، على سبيل المثال ، في أسطوانة مكبس مغلقة عندما تتأرجح. تتميز الموجة المستوية بسعة ثابتة تقريبًا. يرتبط انخفاضه الطفيف مع المسافة من مصدر الاضطراب بدرجة لزوجة الوسط الغازي أو السائل.
الطول الموجي
يُفهم تحت الطول الموجي المسافة التي يتحرك خلالها مقدمتها في الوقت الذييساوي فترة تذبذب جسيمات الوسط:
λ=υT=υ / v=2πυ / ω ،
حيث T هي فترة التذبذب ، هي سرعة الموجة ، ω هي التردد الدوري ، ν هو تردد التذبذب للنقاط المتوسطة.
بما أن سرعة انتشار الموجة الميكانيكية تعتمد كليًا على خصائص الوسط ، فإن طولها λ يتغير أثناء الانتقال من وسط إلى آخر. في هذه الحالة ، يظل تردد التذبذب ν كما هو دائمًا. تتشابه الموجات الميكانيكية والكهرومغناطيسية في أنه عندما تنتشر تنتقل الطاقة ، لكن بغض النظر عن أي شيء يتم نقله.
