- Czym różnią się fale podłużne od fal poprzecznych?
- Przykład-eksperymentu: obserwacja fali podłużnej na sprężynie
- Fale podłużne w ośrodku materialnym
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Fala podłużna - fala, w której występują oscylacje w kierunku jej propagacji.
Większość fal obserwowanych w przyrodzie można przypisać dwóm typom: falom poprzecznym lub podłużnym. Czasami możemy je zaobserwować jednocześnie, np. poprzeczna fala na strunie, którą szarpie gitarzysta, powoduje podłużną falę dźwiękową w rezonatorze gitary.
Na przykład erupcji wulkanu towarzyszy poprzeczna i podłużna fala sejsmiczna rozchodząca się z różnymi prędkościami, co leży u podstaw jednej z metod określania lokalizacji miejsca erupcji.
Czym różnią się fale podłużne od fal poprzecznych?
Fale podłużne charakteryzują się tym, że powodują w ośrodku materialnym, w którym się rozchodzą (powietrze, woda, kryształ itp.) przemieszczenia równoległe do kierunku fali. Ten rodzaj fali zostanie omówiony w tym artykule.
Kiedy fala mechaniczna rozchodzi się w ośrodku materialnym, elementy tego ośrodka poruszają się. W zależności od kierunku przemieszczeń związanych z tym ruchem, względem kierunku fali możemy mówić o dwóch rodzajach fal:
- Kiedy kierunek oscylacji cząstek ośrodka jest równoległy do kierunku fali, mówimy o fali podłużnej.
- Gdy kierunek oscylacji cząstek ośrodka jest prostopadły do kierunku fali, mówimy o fali poprzecznej.
Przykład-eksperymentu: obserwacja fali podłużnej na sprężynie
Przygotuj długą wiosnę. Możesz zrobić własny, owijając długi miedziany drut o średnicy około 1 mm wokół sztyftu do czyszczenia zębów.Sprężyna zabawkowa również świetnie się do tego nadaje. Połóż sprężynę poziomo na długim stole i zabezpiecz ją na jednym końcu. Trzymając drugi koniec ręką, naciągnij sprężynę (rys. 1.).
- Szybko przesuń koniec sprężyny równolegle do jej długości - w prawo na rys. 1 - i szybko przywróć go do pierwotnej pozycji. Co oglądasz?
- Rytmicznie poruszaj końcem sprężyny tam i z powrotem. Jaka fala jest teraz tworzona?
Ryż. 1. Obserwacja fali podłużnej na sprężynie
W eksperymencie obserwujemy specyficzny rodzaj fali: zagęszczanie i rozszerzanie rozchodzą się wzdłuż sprężyny. Zaburzenie sprężyny pokazano na rysunkach 2 i 3. Dla większej czytelności zwojów sprężyny zastąpiono je liniami pionowymi. Niezdeformowany system jest pokazany na górze rysunków. Poniżej znajduje się system, w którym działa fala. Strzałki pokazują przesunięcia wybranych elementów systemu.
Ryż. 2. Impuls jednofalowy obserwowany w eksperymencie
Ryż. 3. Fala harmoniczna obserwowana w eksperymencie
Uwaga: elementy sprężyste poruszają się równolegle do kierunku fali. Taka fala nazywana jest podłużną.
- Rysunek 2 przedstawia impuls jednofalowy składający się z jednej kompresji i jednej ekspansji. Odpowiada to punktowi 1 eksperymentu.
- Rysunek 3. przedstawia falę harmoniczną składającą się z okresowo powtarzających się skurczów i rozprężeń. Odpowiada to punktowi 2 eksperymentu. Aby opisać podłużne fale harmoniczne, wprowadzamy te same pojęcia, co przy opisie harmonicznych fal poprzecznych: okres T, częstotliwość f, amplituda A i długość fali λ. Długość fali tej fali harmonicznej λ pokazano na ryc. 3.
Fale podłużne w ośrodku materialnym
Powyżej omówiliśmy proste i "jednowymiarowe" modele fal podłużnych.To, co jednak jest naprawdę interesujące, to fale tego rodzaju rozchodzące się w "trójwymiarowych" mediach. Przykładem są fale sejsmiczne generowane w skorupie ziemskiej podczas erupcji wulkanów (tzw. fale P). Nie wiem, czy kiedykolwiek będziesz musiał osobiście doświadczyć tego zjawiska. Jednak stale napotykasz fale dźwiękowe w powietrzu i wodzie (gazy i ciecze). Są źródłem słuchu ludzi i zwierząt, dlatego poświęcimy im trochę więcej uwagi.
Wróćmy do rys. 2. i wyobraź sobie, że nie przedstawia zwojów sprężyny, ale poziomą kolumnę powietrza podzieloną mentalnie na plastry. Każdy z tych plasterków zawiera taką samą ilość gazu. Pamiętaj: ciśnienie w gazie zależy od objętości i maleje wraz ze wzrostem objętości. Rozważmy teraz trzy takie przekroje (rys. 4.), traktując je dla uproszczenia jako pudełka, które początkowo mają taką samą objętość i takie samo ciśnienie. Z ciśnieniem związana jest siła, jaką gaz wywiera na powierzchnię cięcia.
Ryż. 4. Eksperyment myślowy opisany w powyższym tekście
- Góra pokazuje stan równowagi przy braku fali. Ciśnienie w każdym płacie jest takie samo. Plaster lewy działa na plaster środkowy siłą skierowaną w prawo, w wyniku działania gazu na powierzchnię pomiędzy plasterkami. Prawe cięcie działa na środkowe cięcie z siłą tej samej wielkości, ale skierowaną w lewo. Wypadkowa tych sił wynosi zero.
- Dół rysunku pokazuje przykład zakłócenia spowodowanego przez falę. Lewy płat zwęził się, a ciśnienie w nim wzrosło. Działa z większą siłą na płacik środkowy. Prawy płat rozszerzył się, ciśnienie w nim spadło. Działa na płat środkowy z mniejszą siłą. Wypadkowa tych sił nie jest już równa zeru i jest skierowana w prawo.
Można zauważyć, że przemieszczenia w gazie wytworzyły niezrównoważone siły. Powstałe siły będą odpowiedzialne za dalsze przemieszczenia, które doprowadzą do rozchodzenia się fali podłużnej.