Puoi immaginare cosa sono le onde meccaniche lanciando un sasso nell'acqua. I cerchi che compaiono su di esso e alternano avvallamenti e creste sono un esempio di onde meccaniche. Qual è la loro essenza? Le onde meccaniche sono il processo di propagazione delle vibrazioni nei mezzi elastici.
Onde su superfici liquide
Tali onde meccaniche esistono a causa dell'influenza delle forze intermolecolari e della gravità sulle particelle di un liquido. Le persone studiano questo fenomeno da molto tempo. I più notevoli sono l'oceano e le onde del mare. All'aumentare della velocità del vento, cambiano e la loro altezza aumenta. Anche la forma delle onde stesse diventa più complicata. Nell'oceano possono raggiungere proporzioni spaventose. Uno degli esempi più chiari di forza è lo tsunami che spazza via ogni cosa sul suo cammino.
Energia delle onde del mare e dell'oceano
Quando si raggiunge la riva, le onde del mare aumentano con un brusco cambiamento di profondità. A volte raggiungono un' altezza di diversi metri. In tali momenti, l'energia cinetica di una colossale massa d'acqua viene trasferita agli ostacoli costieri, che vengono rapidamente distrutti sotto la sua influenza. La forza del surf a volte raggiunge valori grandiosi.
Onde elastiche
In meccanica non si studiano solo le vibrazioni sulla superficie di un liquido, ma anche le cosiddette onde elastiche. Queste sono perturbazioni che si propagano in mezzi diversi sotto l'azione delle forze elastiche in essi contenute. Tale perturbazione è qualsiasi deviazione delle particelle di un dato mezzo dalla posizione di equilibrio. Un buon esempio di onde elastiche è una lunga corda o un tubo di gomma attaccato a qualcosa a un'estremità. Se lo tiri e poi crei un disturbo alla sua seconda estremità (non fissata) con un movimento laterale acuto, puoi vedere come "corre" lungo l'intera lunghezza della corda fino al supporto e viene riflesso all'indietro.
Fonte di onde meccaniche
La perturbazione iniziale porta alla comparsa di un'onda nel mezzo. È causato dall'azione di un corpo estraneo, che in fisica è chiamato la sorgente dell'onda. Può essere la mano di una persona che fa oscillare una corda o un sassolino gettato nell'acqua. Nel caso in cui l'azione della sorgente sia di breve durata, nel mezzo appare spesso un'onda solitaria. Quando il “disturbatore” compie lunghi movimenti oscillatori, le onde iniziano ad apparire una dopo l' altra.
Condizioni per il verificarsi di onde meccaniche
Questo tipo di oscillazione non si forma sempre. Condizione necessaria per il loro aspetto è il verificarsi al momento della perturbazione del mezzo di forze che ne impediscono, in particolare, l'elasticità. Tendono ad avvicinare le particelle vicine quando si allontanano e le allontanano l'una dall' altra quando si avvicinano l'una all' altra. Forze elastiche agenti su distanti dafonte di perturbazione della particella, cominciano a portarle fuori equilibrio. Nel tempo, tutte le particelle del mezzo sono coinvolte in un movimento oscillatorio. La propagazione di tali oscillazioni è l'onda.
Onde meccaniche in un mezzo elastico
In un'onda elastica, ci sono 2 tipi di movimento contemporaneamente: oscillazioni delle particelle e propagazione perturbativa. Un'onda longitudinale è un'onda meccanica le cui particelle oscillano lungo la direzione della sua propagazione. Un'onda trasversale è un'onda le cui particelle medie oscillano nella direzione della sua propagazione.
Proprietà delle onde meccaniche
Le perturbazioni in un'onda longitudinale sono rarefazione e compressione, e in un'onda trasversale sono spostamenti (spostamenti) di alcuni strati del mezzo rispetto ad altri. La deformazione da compressione è accompagnata dalla comparsa di forze elastiche. In questo caso, la deformazione a taglio è associata alla comparsa di forze elastiche esclusivamente nei solidi. Nei mezzi gassosi e liquidi, lo spostamento degli strati di questi mezzi non è accompagnato dalla comparsa della forza menzionata. A causa delle loro proprietà, le onde longitudinali possono propagarsi in qualsiasi mezzo, mentre le onde trasversali possono propagarsi solo nei solidi.
Caratteristiche delle onde sulla superficie dei liquidi
Le onde sulla superficie di un liquido non sono né longitudinali né trasversali. Hanno un carattere più complesso, cosiddetto longitudinale-trasversale. In questo caso, le particelle di fluido si muovono in cerchio o lungo ellissi allungate. I moti circolari delle particelle sulla superficie di un liquido, e specialmente durante le grandi oscillazioni, sono accompagnati dal loro lento ma continuomuovendosi nella direzione di propagazione dell'onda. Sono queste proprietà delle onde meccaniche nell'acqua che causano la comparsa di vari frutti di mare sulla riva.
Frequenza d'onda meccanica
Se in un mezzo elastico (liquido, solido, gassoso) viene eccitata la vibrazione delle sue particelle, a causa dell'interazione tra loro, si propagherà con una velocità u. Quindi, se un corpo oscillante si trova in un mezzo gassoso o liquido, il suo movimento inizierà a essere trasmesso a tutte le particelle adiacenti ad esso. Coinvolgeranno i prossimi nel processo e così via. In questo caso, assolutamente tutti i punti del mezzo inizieranno ad oscillare con la stessa frequenza, uguale alla frequenza del corpo oscillante. È la frequenza dell'onda. In altre parole, questo valore può essere caratterizzato come la frequenza di oscillazione dei punti nel mezzo in cui si propaga l'onda.
Potrebbe non essere immediatamente chiaro come avvenga questo processo. Le onde meccaniche sono associate al trasferimento di energia del movimento oscillatorio dalla sua sorgente alla periferia del mezzo. Di conseguenza, sorgono le cosiddette deformazioni periodiche, che vengono trasportate dall'onda da un punto all' altro. In questo caso, le particelle del mezzo stesse non si muovono insieme all'onda. Oscillano vicino alla loro posizione di equilibrio. Ecco perché la propagazione di un'onda meccanica non è accompagnata dal trasferimento di materia da un luogo all' altro. Le onde meccaniche hanno frequenze diverse. Pertanto, sono stati divisi in intervalli e hanno creato una scala speciale. La frequenza è misurata in hertz (Hz).
Formule di base
Le onde meccaniche, le cui formule di calcolo sono abbastanza semplici, sono un oggetto interessante da studiare. La velocità dell'onda (υ) è la velocità del suo movimento frontale (il luogo di tutti i punti a cui l'oscillazione del mezzo ha raggiunto in questo momento):
υ=√G/ ρ, dove ρ è la densità del mezzo, G è il modulo di elasticità.
Durante il calcolo, non confondere la velocità di un'onda meccanica in un mezzo con la velocità di movimento delle particelle del mezzo che sono coinvolte nel processo ondulatorio. Quindi, ad esempio, un'onda sonora nell'aria si propaga con una velocità vibrazionale media delle sue molecole di 10 m/s, mentre la velocità di un'onda sonora in condizioni normali è di 330 m/s.
Il fronte d'onda si presenta in molte forme, la più semplice delle quali è:
• Sferico - causato da fluttuazioni in un mezzo gassoso o liquido. In questo caso, l'ampiezza dell'onda diminuisce con la distanza dalla sorgente in proporzione inversa al quadrato della distanza.
• Piatto - è un piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda. Si verifica, ad esempio, in un cilindro a pistone chiuso quando oscilla. Un'onda piana è caratterizzata da un'ampiezza quasi costante. La sua leggera diminuzione con la distanza dalla fonte di disturbo è associata al grado di viscosità del mezzo gassoso o liquido.
Lunghezza d'onda
Sotto la lunghezza d'onda si intende la distanza su cui si muoverà il suo fronte nel tempo cheè uguale al periodo di oscillazione delle particelle del mezzo:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, dove T è il periodo di oscillazione, υ è la velocità dell'onda, ω è la frequenza ciclica, ν è la frequenza di oscillazione dei punti medi.
Poiché la velocità di propagazione di un'onda meccanica dipende completamente dalle proprietà del mezzo, la sua lunghezza λ cambia durante il passaggio da un mezzo all' altro. In questo caso, la frequenza di oscillazione ν rimane sempre la stessa. Le onde meccaniche ed elettromagnetiche sono simili in quanto quando si propagano, l'energia viene trasferita, ma non viene trasferita alcuna materia.
