Įmesdami akmenį į vandenį galite įsivaizduoti, kas yra mechaninės bangos. Ant jo atsirandantys apskritimai, besikeičiantys loviai ir keteros, yra mechaninių bangų pavyzdys. Kokia jų esmė? Mechaninės bangos yra vibracijos sklidimo elastingoje terpėje procesas.
Bangos ant skystų paviršių
Tokios mechaninės bangos egzistuoja dėl tarpmolekulinių jėgų ir gravitacijos įtakos skysčio dalelėms. Žmonės šį reiškinį tyrinėjo ilgą laiką. Žymiausi yra vandenyno ir jūros bangos. Didėjant vėjo greičiui, jie keičiasi ir didėja jų aukštis. Pačių bangų forma taip pat tampa sudėtingesnė. Vandenyne jie gali pasiekti bauginančius dydžius. Vienas ryškiausių jėgos pavyzdžių yra cunamis, kuris nušluoja viską savo kelyje.
Jūros ir vandenyno bangų energija
Pasiekus krantą jūros bangos didėja smarkiai pasikeitus gyliui. Kartais jie pasiekia kelių metrų aukštį. Tokiais momentais didžiulės vandens masės kinetinė energija perduodama pakrantės kliūtims, kurios greitai sunaikinamos. Naršymo stiprumas kartais pasiekia grandiozines vertybes.
Elastinės bangos
Mechanikoje tiriami ne tik virpesiai skysčio paviršiuje, bet ir vadinamosios elastinės bangos. Tai perturbacijos, kurios plinta skirtingose terpėse, veikiant jose esančioms tamprumo jėgoms. Toks trikdymas yra bet koks tam tikros terpės dalelių nukrypimas nuo pusiausvyros padėties. Geras elastingų bangų pavyzdys yra ilga virvė arba guminis vamzdis, pritvirtintas prie kažko viename gale. Jei stipriai pritraukite jį ir tada staigiu šoniniu judesiu sukursite trikdymą antrame (nefiksuotame) gale, pamatysite, kaip jis „bėga“per visą virvės ilgį iki atramos ir atsispindi atgal.
Mechaninių bangų š altinis
Pradinis trikdymas lemia bangos atsiradimą terpėje. Ją sukelia kažkokio svetimkūnio, kuris fizikoje vadinamas bangos š altiniu, veikimas. Tai gali būti žmogaus ranka, siūbuojanti virve, arba į vandenį įmestas akmenukas. Tuo atveju, kai š altinio veikimas yra trumpalaikis, terpėje dažnai atsiranda pavienė banga. Kai „trukdytojas“atlieka ilgus svyruojančius judesius, bangos pradeda ryškėti viena po kitos.
Mechaninių bangų atsiradimo sąlygos
Toks svyravimas ne visada susidaro. Būtina jų atsiradimo sąlyga yra jėgų, užkertančių kelią tam, terpės, ypač elastingumo, perturbacijos momentu. Jie linkę suartinti kaimynines daleles, kai jos tolsta, ir atstumti jas viena nuo kitos, kai artėja viena prie kitos. Tamprumo jėgos, veikiančios toli nuodalelių trikdymo š altinis, pradeda jas išvesti iš pusiausvyros. Laikui bėgant visos terpės dalelės dalyvauja viename svyruojančiame judesyje. Tokių svyravimų sklidimas yra banga.
Mechaninės bangos elastingoje terpėje
Elastinėje bangoje vienu metu vyksta 2 judėjimo tipai: dalelių virpesiai ir trukdžių sklidimas. Išilginė banga yra mechaninė banga, kurios dalelės svyruoja išilgai jos sklidimo krypties. Skersinė banga yra banga, kurios terpės dalelės svyruoja jos sklidimo kryptimi.
Mechaninių bangų savybės
Išilginės bangos trikdžiai yra retėjimas ir suspaudimas, o skersinėje bangoje – kai kurių terpės sluoksnių poslinkiai (paslinkimai) kitų atžvilgiu. Suspaudimo deformaciją lydi tamprumo jėgų atsiradimas. Šiuo atveju šlyties deformacija yra susijusi su tamprumo jėgų atsiradimu tik kietose medžiagose. Dujinėse ir skystose terpėse šių terpių sluoksnių pasislinkimas nėra lydimas minėtos jėgos atsiradimo. Dėl savo savybių išilginės bangos gali sklisti bet kokioje terpėje, o skersinės – tik kietose medžiagose.
Bangų ypatumai skysčių paviršiuje
Bangos ant skysčio paviršiaus nėra nei išilginės, nei skersinės. Jie turi sudėtingesnį, vadinamąjį išilginį-skersinį pobūdį. Šiuo atveju skysčio dalelės juda ratu arba išilgai pailgų elipsių. Sukamuosius dalelių judesius skysčio paviršiuje, ypač didelių svyravimų metu, lydi lėtas, bet nenutrūkstamas.juda bangos sklidimo kryptimi. Būtent dėl šių vandenyje esančių mechaninių bangų savybių krante atsiranda įvairių jūros gėrybių.
Mechaninės bangos dažnis
Jei elastingoje terpėje (skystoje, kietoje, dujinėje) jos dalelių vibracija sužadinama, tai dėl jų tarpusavio sąveikos ji sklis greičiu u. Taigi, jei svyruojantis kūnas yra dujinėje ar skystoje terpėje, jo judėjimas bus perduodamas visoms šalia esančioms dalelėms. Į procesą jie įtrauks kitus ir pan. Tokiu atveju absoliučiai visi terpės taškai pradės svyruoti tuo pačiu dažniu, lygiu svyruojančio kūno dažniui. Tai bangos dažnis. Kitaip tariant, šią reikšmę galima apibūdinti kaip terpės taškų, kuriuose sklinda banga, virpesių dažnį.
Gali būti ne iš karto aišku, kaip vyksta šis procesas. Mechaninės bangos yra susijusios su svyruojančio judėjimo energijos perkėlimu iš jo š altinio į terpės periferiją. Dėl to atsiranda vadinamosios periodinės deformacijos, kurias banga perneša iš vieno taško į kitą. Šiuo atveju pačios terpės dalelės nejuda kartu su banga. Jie svyruoja netoli savo pusiausvyros padėties. Štai kodėl mechaninės bangos sklidimas nėra lydimas medžiagos pernešimo iš vienos vietos į kitą. Mechaninės bangos turi skirtingus dažnius. Todėl jie buvo suskirstyti į diapazonus ir sukūrė specialią skalę. Dažnis matuojamas hercais (Hz).
Pagrindinės formulės
Mechaninės bangos, kurių skaičiavimo formulės gana paprastos, yra įdomus tyrinėjimo objektas. Bangos greitis (υ) yra jos priekinio judėjimo greitis (visų taškų, kuriuos šiuo metu pasiekė terpės svyravimai, vieta):
υ=√G/ ρ, kur ρ yra terpės tankis, G yra elastingumo modulis.
Skaičiuodami nepainiokite mechaninės bangos greičio terpėje su terpės dalelių, kurios dalyvauja bangavimo procese, judėjimo greičiu. Taigi, pavyzdžiui, garso banga ore sklinda, kai jos molekulių vidutinis virpesių greitis yra 10 m/s, o garso bangos greitis normaliomis sąlygomis yra 330 m/s.
Bangos frontas yra įvairių formų, iš kurių paprasčiausios yra:
• Sferinis – atsiranda dėl dujinės arba skystos terpės svyravimų. Šiuo atveju bangos amplitudė mažėja didėjant atstumui nuo š altinio, atvirkščiai proporcingai atstumo kvadratui.
• Plokščia – tai plokštuma, statmena bangos sklidimo krypčiai. Jis atsiranda, pavyzdžiui, uždarame stūmoklio cilindre, kai jis svyruoja. Plokštumai bangai būdinga beveik pastovi amplitudė. Nedidelis jo sumažėjimas didėjant atstumui nuo trikdžių š altinio yra susijęs su dujinės arba skystos terpės klampumo laipsniu.
Bangos ilgis
Pagal bangos ilgį suprantamas atstumas, per kurį jo priekis judės per laiką, kurįlygus terpės dalelių svyravimo periodui:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, kur T – virpesių periodas, υ – bangos greitis, ω – ciklinis dažnis, ν – vidutinių taškų virpesių dažnis.
Kadangi mechaninės bangos sklidimo greitis visiškai priklauso nuo terpės savybių, jos ilgis λ keičiasi pereinant iš vienos terpės į kitą. Šiuo atveju virpesių dažnis ν visada išlieka toks pat. Mechaninės ir elektromagnetinės bangos yra panašios tuo, kad joms sklindant perduodama energija, bet neperduodama jokia medžiaga.
