Механични вълни

Когато една трептяща система се намира в някаква материална среда (газ, течност или твърдо тяло), предизвиканите от нея трептения се разпространяват в средата. Така се получава механична вълна.

Механичните вълни се изразяват в:

• промяна на нивото на течността (приливни, водни вълни);
• налягането и плътността на фруид (звукови или хидравлични вълни);
• напрегнатостта на еластична среда (сеизмичните вълни).

Отделните частици на средата се движат по затворени траектории, но при трептенето си те си предават една на друга енергия и по този начин самата вълна пренася енергия, което е основното им свойство.

В зависимост от траекторията, която описват трептящите частици спрямо посоката на разпространение, механичните вълни се делят още на напречни и надлъжни.

Вълна, при която направлението на трептене на частиците съвпада с направлението на разпространение на вълната, се нарича надлъжна вълна. Пример за надлъжни вълни са звуковите вълни.

Вълна, при която направлението на трептене на частиците е перпендикулярно на направлението на разпространение на вълната, се нарича напречна вълна.

Характерът на вълната – напречна или надлъжна, зависи от свойствата на средата:

• В газовете могат да се разпространяват само надлъжни вълни.
• В твърдите тела са възможни както надлъжни, така и напречни вълни.
• В обема на течностите могат да се разпространяват само надлъжни вълни,

а по повърхността им се образуват напречни вълни. Следователно надлъжните вълни могат да се разпространяват в среда, в която възникват обемни деформации на свиване и разтягане, т.е. в газове, в течности и в твърди тела.

Най-простият вид вълново движение е бягащата хармонична вълна. Тя пренася енергия и импулс, но не пренася вещество. Такава вълна се получава от хармоничен трептящ източник в неограничена среда. При нея всички частици от средата извършват принудено хармонично трептене с кръгова честота, равна на честотата на трептене на източника. Много от вълните, срещащи се в природата, са близки до хармоничните вълни.Вълнов процес, при който се разпространяват хармонични трептения, се нарича хармонична вълна.

.

Вълна, която се отдалечава от източника и не се връща към него, се нарича бягаща вълна.

Стоящи вълни - падащата и отразената вълна се наслагват (интерферират). Гребените и доловете пристигат едновременно и взаимно се усилват - върхове; гребен + дол - възли (неподвижни). Положението им не се изменя с течение на времето.

Величини, характеризиращи механичните вълни

• амплитуда - максималното отклонение на частиците от равновесното им положение;
• период (периода = 1 / честотата);
• честота;
• дължина - дължината между два съседни върха или дола на вълната;
• скорост;

Интерференция - явление, при което в резултат на наслагването на две (или повече) вълни, се получава увеличение на амплитудата на резултантната вълна в едни области и намаление - в други.

гребен + гребен = интерферентен максимум

гребен + дол = интерферентен минимум

Явление, при което механичните вълни достигат до границата на средата, в която се разпространяват и предизвикват поява на нова вълна в същата среда, но с друга посока се нарича отражение.

Най-често наблюдаваме около нас водните вълни, които ни възхищават и ни удивляват със своята красота и разнообразие.

Водните вълни са колебателно движение на водните частици, предизвикани от вятъра, от движението на плавателни съдове, от сеизмични сили и др. Най-лесен начин за наблюдение е, когато хвърлим камък в спокойни води. При наличието на вятър, въздухът увлича горния слой на водната повърхност и образува завихряния. В открито море те са под повърхността, но приближавайки брега образуват гребени над нея.

При водните вълни се наблюдават и приливни вълни, които са промяна на формата на Световния океан, причинена от гравитационното взаимодействие на Слънцето и Луната. Явленията се наречени прилив и отлив, а образуващия се фронт на водата в стесняващи се заливи или по речните корита се нарича приливна вълна.

Звуковите вълни, невидими за нас, но какъв би бил живота ни без тях! Те са трептене на материята, възприемано от слуховия апарат на човешкото тяло като това трептене се предава като периодична промяна в налягането.

Тъпанчето в човешкото ухо е тънка мембрана, която е чувствителна към най-малките промени на атмосферното налягане, причинени от механичните вълни, които се разпространяват във въздуха. То възприема тези вълни като звук с честота на интервала 16 – 20 000 Hz. В зависимост от особеностите на човека се наблюдават различни отклонения от диапазона на чуване. С напредване на възрастта хората по-трудно чуват звуковете с високи честоти. Звуковите вълни, които се разпространяват във въздуха, имат голямо значение за живота на хората.

Сеизмичните вълни, се разпространяват радиално в земните недра и имат свойството да се пречупват, разсейват, отразяват, да променят вида си. Скоростта им на разпространение зависи от вида на материята, през която преминават, както и от техния вид.