Us podeu imaginar quines són les ones mecàniques llançant una pedra a l'aigua. Els cercles que hi apareixen i s' alternen abeuradors i crestes són un exemple d'ones mecàniques. Quina és la seva essència? Les ones mecàniques són el procés de propagació de la vibració en mitjans elàstics.
Ones sobre superfícies líquides
Aquestes ones mecàniques existeixen a causa de la influència de les forces intermoleculars i la gravetat sobre les partícules d'un líquid. La gent fa temps que estudia aquest fenomen. Les més destacades són les onades de l'oceà i del mar. A mesura que augmenta la velocitat del vent, canvien i augmenta la seva alçada. La forma de les ones també es fa més complicada. A l'oceà, poden assolir proporcions aterridores. Un dels exemples més clars de força és el tsunami que escombra tot al seu pas.
Energia de les ones del mar i de l'oceà
En arribar a la costa, les onades del mar augmenten amb un canvi brusc de profunditat. De vegades arriben a una alçada de diversos metres. En aquests moments, l'energia cinètica d'una massa colossal d'aigua es transfereix als obstacles costaners, que sota la seva influència es destrueixen ràpidament. La força del surf de vegades arriba a valors grandiosos.
Ones elàstiques
En mecànica no només s'estudien les vibracions a la superfície d'un líquid, sinó també les anomenades ones elàstiques. Són pertorbacions que es propaguen en diferents medis sota l'acció de forces elàstiques en ells. Aquesta pertorbació és qualsevol desviació de les partícules d'un medi determinat de la posició d'equilibri. Un bon exemple d'ones elàstiques és una corda llarga o un tub de goma connectat a alguna cosa en un extrem. Si l'estireu amb força i, a continuació, creeu una pertorbació al seu segon extrem (no fixat) amb un moviment lateral agut, podreu veure com "corre" al llarg de tota la corda fins al suport i es reflecteix cap enrere.
Font d'ones mecàniques
La pertorbació inicial condueix a l'aparició d'una ona al medi. És causada per l'acció d'algun cos estrany, que en física s'anomena font de l'ona. Pot ser la mà d'una persona que balanceja una corda, o un còdol llençat a l'aigua. En el cas que l'acció de la font sigui de curta durada, sovint apareix una ona solitària al medi. Quan el "pertorbador" fa moviments oscil·latoris llargs, les ones comencen a aparèixer una darrere l' altra.
Condicions per a l'aparició d'ones mecàniques
Aquest tipus d'oscil·lació no sempre es forma. Una condició necessària per a la seva aparició és l'ocurrència en el moment de la pertorbació del medi de forces impedint-lo, en particular, l'elasticitat. Acostumen a acostar les partícules veïnes quan es separen i allunyar-les les unes de les altres quan s'apropen. Forces elàstiques que actuen sobre lluny defont de pertorbació de la partícula, comenceu a desequilibrar-les. Amb el temps, totes les partícules del medi estan implicades en un moviment oscil·latori. La propagació d'aquestes oscil·lacions és l'ona.
Ones mecàniques en un medi elàstic
En una ona elàstica, hi ha 2 tipus de moviment simultàniament: oscil·lacions de partícules i propagació de pertorbacions. Una ona longitudinal és una ona mecànica les partícules de la qual oscil·len al llarg de la direcció de la seva propagació. Una ona transversal és una ona les partícules mitjanes de la qual oscil·len en la direcció de la seva propagació.
Propietats de les ones mecàniques
Les perturbacions en una ona longitudinal són rarefacció i compressió, i en una ona transversal són desplaçaments (desplaçaments) d'unes capes del medi respecte d' altres. La deformació per compressió va acompanyada de l'aparició de forces elàstiques. En aquest cas, la deformació per cisalla s'associa amb l'aparició de forces elàstiques exclusivament en sòlids. En medis gasosos i líquids, el desplaçament de les capes d'aquests mitjans no va acompanyat de l'aparició de la força esmentada. A causa de les seves propietats, les ones longitudinals es poden propagar en qualsevol mitjà, mentre que les ones transversals només es poden propagar en sòlids.
Característiques de les ones a la superfície dels líquids
Les ones a la superfície d'un líquid no són ni longitudinals ni transversals. Tenen un caràcter més complex, anomenat longitudinal-transversal. En aquest cas, les partícules fluides es mouen en cercle o al llarg d'el·lipses allargades. Els moviments circulars de les partícules a la superfície d'un líquid, i especialment durant les grans oscil·lacions, van acompanyats de la seva lent però continuada.movent-se en la direcció de propagació de l'ona. Són aquestes propietats de les ones mecàniques a l'aigua les que provoquen l'aparició de diversos mariscs a la riba.
Freqüència d'ones mecàniques
Si en un medi elàstic (líquid, sòlid, gasós) s'excita la vibració de les seves partícules, aleshores, a causa de la interacció entre elles, es propagarà amb una velocitat u. Així, si un cos oscil·lant es troba en un medi gasós o líquid, llavors el seu moviment es començarà a transmetre a totes les partícules adjacents a ell. Implicaran els següents en el procés i així successivament. En aquest cas, absolutament tots els punts del medi començaran a oscil·lar amb la mateixa freqüència, igual a la freqüència del cos oscil·lant. És la freqüència de l'ona. En altres paraules, aquest valor es pot caracteritzar com la freqüència d'oscil·lació dels punts del medi on es propaga l'ona.
És possible que no estigui clar immediatament com es produeix aquest procés. Les ones mecàniques s'associen a la transferència d'energia del moviment oscil·latori des de la seva font fins a la perifèria del medi. Com a resultat, sorgeixen les anomenades deformacions periòdiques, que són portades per l'ona d'un punt a un altre. En aquest cas, les partícules del medi no es mouen juntament amb l'ona. Oscil·len prop de la seva posició d'equilibri. És per això que la propagació d'una ona mecànica no va acompanyada de la transferència de matèria d'un lloc a un altre. Les ones mecàniques tenen freqüències diferents. Per tant, es van dividir en rangs i van crear una escala especial. La freqüència es mesura en hertzs (Hz).
Fórmules bàsiques
Les ones mecàniques, les fórmules de càlcul de les quals són força senzilles, són un objecte interessant per estudiar. La velocitat de l'ona (υ) és la velocitat del seu moviment frontal (el lloc geogràfic de tots els punts als quals ha arribat l'oscil·lació del medi en aquest moment):
υ=√G/ ρ, on ρ és la densitat del medi, G és el mòdul d'elasticitat.
En calcular, no confongueu la velocitat d'una ona mecànica en un medi amb la velocitat de moviment de les partícules del medi que intervenen en el procés ondulatori. Així, per exemple, una ona sonora a l'aire es propaga amb una velocitat de vibració mitjana de les seves molècules de 10 m/s, mentre que la velocitat d'una ona sonora en condicions normals és de 330 m/s.
El front d'ona té moltes formes, les més senzilles de les quals són:
• Esfèric - causat per fluctuacions en un medi gasós o líquid. En aquest cas, l'amplitud de l'ona disminueix amb la distància de la font en proporció inversa al quadrat de la distància.
• Plana: és un pla perpendicular a la direcció de propagació de l'ona. Es produeix, per exemple, en un cilindre de pistó tancat quan oscil·la. Una ona plana es caracteritza per una amplitud gairebé constant. La seva lleugera disminució amb la distància a la font de pertorbació s'associa amb el grau de viscositat del medi gasós o líquid.
Longitud d'ona
Sota la longitud d'ona s'entén la distància sobre la qual es mourà el seu front en el temps queés igual al període d'oscil·lació de les partícules del medi:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, on T és el període d'oscil·lació, υ és la velocitat de l'ona, ω és la freqüència cíclica, ν és la freqüència d'oscil·lació dels punts mitjans.
Com que la velocitat de propagació d'una ona mecànica depèn completament de les propietats del medi, la seva longitud λ canvia durant la transició d'un medi a un altre. En aquest cas, la freqüència d'oscil·lació ν roman sempre la mateixa. Les ones mecàniques i electromagnètiques són similars perquè quan es propaguen, es transfereix energia, però no es transfereix cap matèria.
