Můžete si představit, co jsou mechanické vlny, když hodíte kámen do vody. Kruhy, které se na něm objevují a jsou střídajícími se koryty a hřebeny, jsou příkladem mechanických vln. Jaká je jejich podstata? Mechanické vlny jsou procesem šíření vibrací v elastických médiích.
Vlny na tekutých površích
Takové mechanické vlny existují v důsledku vlivu mezimolekulárních sil a gravitace na částice kapaliny. Lidé tento fenomén zkoumají již dlouhou dobu. Nejpozoruhodnější jsou oceánské a mořské vlny. S rostoucí rychlostí větru se mění a zvyšuje se jejich výška. Zkomplikuje se také tvar samotných vln. V oceánu mohou dosáhnout děsivých rozměrů. Jedním z nejjasnějších příkladů síly je tsunami, která smete vše, co jí stojí v cestě.
Energie mořských a oceánských vln
Při dosažení pobřeží se mořské vlny zvětšují s prudkou změnou hloubky. Někdy dosahují výšky několika metrů. V takových chvílích se kinetická energie kolosální masy vody přenáší na pobřežní překážky, které jsou pod jejím vlivem rychle zničeny. Síla příboje někdy dosahuje grandiózních hodnot.
Elastické vlny
V mechanice se studují nejen vibrace na povrchu kapaliny, ale také takzvané elastické vlny. Jedná se o poruchy, které se šíří v různých prostředích působením elastických sil v nich. Takovou perturbací je jakákoliv odchylka částic daného prostředí od rovnovážné polohy. Dobrým příkladem elastických vln je dlouhé lano nebo gumová trubka připevněná k něčemu na jednom konci. Pokud jej pevně přitáhnete a poté prudkým bočním pohybem vytvoříte na jeho druhém (neupevněném) konci poruchu, můžete vidět, jak „běží“po celé délce lana k podpěře a odráží se zpět.
Zdroj mechanických vln
Počáteční porucha vede ke vzniku vlny v médiu. Vzniká působením nějakého cizího tělesa, které se ve fyzice nazývá zdrojem vlnění. Může to být ruka člověka houpajícího se na laně, nebo kamínek hozený do vody. V případě, kdy je působení zdroje krátkodobé, často se v médiu objeví osamocená vlna. Když „rušič“provede dlouhé oscilační pohyby, začnou se vlny objevovat jedna po druhé.
Podmínky pro výskyt mechanických vln
Tento druh kmitání se nevytváří vždy. Nezbytnou podmínkou pro jejich vznik je výskyt v okamžiku narušení prostředí sil, které tomu brání, zejména pružnosti. Mají tendenci přibližovat sousední částice k sobě, když se vzdalují, a odtlačovat je od sebe, když se k sobě přibližují. Elastické síly působící na vzdálené odzdrojem poruch částice, začnou je vyvádět z rovnováhy. Postupem času jsou všechny částice média zapojeny do jednoho oscilačního pohybu. Šíření takových oscilací je vlna.
Mechanické vlny v elastickém médiu
V elastické vlně existují 2 typy pohybu současně: oscilace částic a šíření poruch. Podélné vlnění je mechanické vlnění, jehož částice kmitají ve směru svého šíření. Příčná vlna je vlna, jejíž střední částice oscilují napříč směrem jejího šíření.
Vlastnosti mechanických vln
Perturbace v podélné vlně jsou zředění a komprese a v příčné vlně jsou to posuny (posuny) některých vrstev média vzhledem k jiným. Deformace tlakem je doprovázena vznikem elastických sil. V tomto případě je smyková deformace spojena s výskytem elastických sil výhradně v tělesech. V plynných a kapalných médiích není posun vrstev těchto médií doprovázen vznikem zmíněné síly. Díky svým vlastnostem se podélné vlny mohou šířit v jakémkoli prostředí, zatímco příčné vlny se mohou šířit pouze v pevných látkách.
Vlastnosti vln na povrchu kapalin
Vlny na povrchu kapaliny nejsou ani podélné, ani příčné. Mají složitější, tzv. podélně-příčný charakter. V tomto případě se částice tekutiny pohybují v kruhu nebo podél podlouhlých elips. Kruhové pohyby částic na povrchu kapaliny a zejména při velkých oscilacích jsou doprovázeny jejich pomalým, ale plynulýmpohybující se ve směru šíření vlny. Právě tyto vlastnosti mechanických vln ve vodě způsobují výskyt různých mořských plodů na pobřeží.
Frekvence mechanické vlny
Pokud je v elastickém prostředí (kapalné, pevné, plynné) vybuzena vibrace jeho částic, pak se díky vzájemnému působení mezi nimi bude šířit rychlostí u. Pokud je tedy oscilující těleso v plynném nebo kapalném médiu, jeho pohyb se začne přenášet na všechny částice, které s ním sousedí. Do procesu zapojí další a tak dále. V tomto případě začnou absolutně všechny body média kmitat se stejnou frekvencí, rovnou frekvenci kmitajícího tělesa. Je to frekvence vlny. Jinými slovy, tuto hodnotu lze charakterizovat jako kmitání bodů v prostředí, kde se vlna šíří.
Nemusí být hned jasné, jak k tomuto procesu dochází. Mechanické vlny jsou spojeny s přenosem energie kmitavého pohybu z jejího zdroje na periferii prostředí. V důsledku toho vznikají tzv. periodické deformace, které jsou přenášeny vlnou z jednoho bodu do druhého. V tomto případě se samotné částice média nepohybují spolu s vlnou. Kmitají blízko své rovnovážné polohy. Proto není šíření mechanické vlny doprovázeno přenosem hmoty z jednoho místa na druhé. Mechanické vlny mají různé frekvence. Proto byly rozděleny do rozsahů a vytvořena speciální stupnice. Frekvence se měří v hertzech (Hz).
Základní vzorce
Mechanické vlny, jejichž výpočetní vzorce jsou poměrně jednoduché, jsou zajímavým předmětem ke studiu. Rychlost vlny (υ) je rychlost jejího předního pohybu (místo všech bodů, do kterých oscilace média v daném okamžiku dosáhla):
υ=√G/ ρ, kde ρ je hustota média, G je modul pružnosti.
Při výpočtu nezaměňujte rychlost mechanické vlny v médiu s rychlostí pohybu částic média, které se účastní vlnění. Takže například zvuková vlna se vzduchem šíří s průměrnou vibrační rychlostí svých molekul 10 m/s, zatímco rychlost zvukové vlny za normálních podmínek je 330 m/s.
Přední vlna má mnoho podob, z nichž nejjednodušší jsou:
• Sférický - způsobený kolísáním plynného nebo kapalného média. V tomto případě amplituda vlny klesá se vzdáleností od zdroje nepřímo úměrně druhé mocnině vzdálenosti.
• Plochá - je rovina, která je kolmá ke směru šíření vlny. Vyskytuje se např. v uzavřeném pístovém válci při jeho kmitání. Rovinná vlna se vyznačuje téměř konstantní amplitudou. Jeho mírný pokles se vzdáleností od zdroje rušení souvisí se stupněm viskozity plynného nebo kapalného média.
Vlnová délka
Pod vlnovou délkou se rozumí vzdálenost, o kterou se její čelo posune za časrovná se periodě oscilace částic média:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, kde T je perioda oscilace, υ je rychlost vlny, ω je cyklická frekvence, ν je frekvence oscilací bodů média.
Jelikož rychlost šíření mechanické vlny je zcela závislá na vlastnostech prostředí, mění se jeho délka λ při přechodu z jednoho prostředí do druhého. V tomto případě zůstává frekvence kmitání ν vždy stejná. Mechanické a elektromagnetické vlny jsou podobné v tom, že když se šíří, přenáší se energie, ale nepřenáší se žádná hmota.
