Fale powierzchniowe. Powierzchniowe fale akustyczne

Fale w dyskretnym łańcuchu. Polaryzacja fal. Prędkość fali ścinającej. Gęstość energii kinetycznej płynącej wody.

Fale.

Przez długi czas wizualny obraz fali był zawsze kojarzony z falami na powierzchni wody. Jednak fale wodne są zjawiskiem znacznie bardziej złożonym niż wiele innych procesów falowych, takich jak rozchodzenie się dźwięku w jednorodnym ośrodku izotropowym. Dlatego naturalne jest rozpoczynanie badań ruchu fal nie od fal na wodzie, ale od prostszych przypadków.

Fale w dyskretnym łańcuchu.

Najłatwiej jest wyobrazić sobie falę rozchodzącą się wzdłuż nieskończonego łańcucha połączonych wahadeł (ryc. 192). Zaczynamy od nieskończonego łańcucha, abyśmy mogli uwzględnić falę rozchodzącą się w jednym kierunku i nie myśleć o jej możliwym odbiciu od końca łańcucha.

Ryż. 192. Fala w łańcuchu połączonych wahadeł Jeżeli wahadło znajdujące się na początku łańcucha zostanie wprowadzone w harmoniczny ruch oscylacyjny z określoną częstotliwością co i amplitudą A, wówczas ruch oscylacyjny będzie się rozprzestrzeniał wzdłuż łańcucha. To rozprzestrzenianie się wibracji z jednego miejsca do drugiego nazywa się procesem falowym lub falą. W przypadku braku tłumienia każde inne wahadło w łańcuchu będzie powtarzać wymuszone oscylacje pierwszego wahadła z pewnym opóźnieniem fazowym. Opóźnienie to wynika z faktu, że propagacja oscylacji wzdłuż łańcucha następuje z pewną skończoną prędkością. Prędkość rozchodzenia się drgań zależy od sztywności sprężyny łączącej wahadła oraz od siły połączenia wahadeł. Jeżeli pierwsze wahadło w łańcuchu porusza się według pewnego prawa, to jego wychylenie z położenia równowagi jest daną funkcją czasu, to przemieszczenie wahadła oddalonego o odległość od początku łańcucha w dowolnym momencie czasu będzie dokładnie takie samo, jak przemieszczenie pierwszego wahadła we wcześniejszej chwili będzie opisane funkcją. Niech pierwsze wahadło podlega oscylacjom harmonicznym, a jego wychylenie z położenia równowagi będzie dane wyrażeniem. Każde z wahadeł łańcucha charakteryzuje się odległością, w jakiej się znajduje od początku łańcucha. Dlatego jego przemieszczenie z położenia równowagi podczas przejścia fali jest w sposób naturalny oznaczane przez. Zatem zgodnie z tym, co powiedziano powyżej, mamy falę opisaną równaniem nazywaną monochromatyczną. Cechą charakterystyczną fali monochromatycznej jest to, że każde z wahadeł wykonuje drgania sinusoidalne o określonej częstotliwości. Rozprzestrzenianiu się fali wzdłuż łańcucha wahadeł towarzyszy przenoszenie energii i pędu. Ale w tym przypadku nie zachodzi żadne przenoszenie masy: każde wahadło oscylujące wokół położenia równowagi przeciętnie pozostaje na swoim miejscu.

Polaryzacja fal. W zależności od kierunku drgań wahadeł mówi się o falach o różnej polaryzacji. Jeśli wahadła oscylują zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, jak na rys. 192, wówczas falę nazywa się podłużną, jeśli w poprzek nazywa się ją poprzeczną. Zazwyczaj fale o różnej polaryzacji przemieszczają się z różnymi prędkościami. Rozważany łańcuch wahadeł sprzężonych jest przykładem układu mechanicznego o skupionych parametrach.

Innym przykładem układu o skupionych parametrach, w którym mogą się rozchodzić fale, jest łańcuch kulek połączonych lekkimi sprężynami (ryc. 193). W takim układzie właściwości obojętne skupiają się w kulkach, a właściwości sprężyste w sprężynach. Kiedy fala się rozchodzi, energia kinetyczna drgań jest zlokalizowana na kulkach, a energia potencjalna na sprężynach. Łatwo sobie wyobrazić, że taki łańcuch kulek połączonych sprężynami można uznać za model układu jednowymiarowego o rozłożonych parametrach, na przykład sprężystej struny. W strunie każdy element długości ma zarówno masę, właściwości bezwładności, jak i sztywność, właściwości sprężyste. Fale na rozciągniętym sznurku. Rozważmy poprzeczną falę monochromatyczną rozchodzącą się w nieskończenie rozciągniętej strunie. Wstępne naprężenie struny jest konieczne, ponieważ nienaprężona elastyczna struna, w odróżnieniu od litego pręta, jest sprężysta tylko pod względem odkształcenia przy rozciąganiu, a nie od ściskania. Falę monochromatyczną w strunie opisuje się tym samym wyrażeniem, co falę w łańcuchu wahadeł. Jednakże obecnie rolę odrębnego wahadła pełni każdy element struny, dlatego zmienna w równaniu charakteryzującym położenie równowagi wahadła przyjmuje wartości ciągłe. Przemieszczenie dowolnego elementu struny z położenia równowagi podczas przejścia fali jest funkcją dwóch zmiennych czasowych i położenia równowagi tego elementu. Jeśli ustalimy we wzorze konkretny element ciągu, to funkcja po ustaleniu podaje przemieszczenie wybranego elementu ciągu w zależności od czasu. Mieszanie to jest oscylacją harmoniczną o częstotliwości i amplitudzie. Początkowa faza drgań tego elementu struny zależy od jego położenia równowagi. Wszystkie elementy struny przechodząc przez falę monochromatyczną wykonują drgania harmoniczne o tej samej częstotliwości i amplitudzie, lecz różniących się fazą.

Długość fali.

Jeśli ustalimy to we wzorze i weźmiemy pod uwagę całą strunę w tym samym momencie, wówczas funkcja, gdy zostanie ustalona, daje natychmiastowy obraz przemieszczeń wszystkich elementów struny, niczym natychmiastowe zdjęcie fali. Na tej „fotografii” zobaczymy zamrożoną sinusoidę (ryc. 194). Okres tej fali sinusoidalnej, czyli odległość pomiędzy sąsiednimi garbami lub dolinami, nazywany jest długością fali. Ze wzoru wynika, że długość fali jest powiązana z częstotliwością i prędkością fali oraz stosunkiem okresu oscylacji. Obraz propagacji fali można sobie wyobrazić, jeśli tę „zamrożoną” sinusoidę wprawimy w ruch wzdłuż osi z dużą prędkością.

Ryż. 194. Przemieszczenie różnych punktów struny w tym samym momencie. Ryż. 195. Zdjęcia przemieszczeń punktów struny w danym momencie. Dwa kolejne „migawki” fali w określonych momentach czasu pokazano na ryc. 195. Można zauważyć, że długość fali jest równa odległości przebytej przez dowolny garb w okresie oscylacji zgodnie ze wzorem.

Prędkość fali ścinającej.

Wyznaczmy prędkość propagacji monochromatycznej fali poprzecznej w strunie. Zakładamy, że amplituda jest mała w porównaniu z długością fali. Niech fala popłynie w prawo z prędkością u. Przejdźmy do nowego układu odniesienia, poruszającego się wzdłuż struny z prędkością równą prędkości fali u. Ten układ odniesienia jest również inercjalny i dlatego obowiązują w nim prawa Newtona. Z tego układu odniesienia fala wydaje się być zamrożoną falą sinusoidalną, a materia struny przesuwa się wzdłuż tej fali sinusoidalnej w lewo: każdy wcześniej pokolorowany element struny będzie sprawiał wrażenie uciekającego wzdłuż fali sinusoidalnej w lewo z dużą prędkością.

Ryż. 196. Obliczanie prędkości rozchodzenia się fali w strunie. Rozważmy w tym układzie odniesienia element struny o długości znacznie mniejszej niż długość fali w momencie, gdy znajduje się ona na szczycie sinusoidy (ryc. 196). Zastosujmy drugie prawo Newtona do tego pierwiastka. Siły działające na element z sąsiednich odcinków struny pokazano w podświetlonym okręgu na rys. 196. Ponieważ rozważana jest fala poprzeczna, w której przemieszczenia elementów struny są prostopadłe do kierunku propagacji fali, wówczas składowa pozioma siły rozciągającej. ciśnienie jest stałe na całej długości struny. Ze względu na długość rozpatrywanego przekroju kierunki sił rozciągających działających na wybrany element są prawie poziome, a ich moduł można uznać za równy. Wypadkowa tych sił jest skierowana w dół i równa. Prędkość rozpatrywanego elementu jest równa i skierowana w lewo, a niewielki odcinek jego sinusoidalnej trajektorii w pobliżu garbu można uznać za łuk koła o promieniu. Dlatego przyspieszenie tego elementu struny jest skierowane w dół i równe. Masę elementu struny można przedstawić jako gęstość materiału struny oraz pole przekroju poprzecznego, które ze względu na niewielką wielkość odkształceń podczas propagacji fali można uznać za takie samo, jak w przypadku braku fali. Na podstawie drugiego prawa Newtona. Jest to pożądana prędkość propagacji poprzecznej fali monochromatycznej o małej amplitudzie w rozciągniętej strunie. Można zauważyć, że zależy to tylko od naprężenia mechanicznego naciągniętej struny i jej gęstości, a nie zależy od amplitudy i długości fali. Oznacza to, że fale poprzeczne o dowolnej długości rozchodzą się w naciągniętej strunie z tą samą prędkością. Jeśli np. dwie fale monochromatyczne o identycznych amplitudach i podobnych częstotliwościach będą jednocześnie propagować w strunie, to „natychmiastowe zdjęcia” tych fal monochromatycznych i powstałej fali będą miały postać pokazaną na rys. 197.

Tam, gdzie garb jednej fali pokrywa się z garbem drugiej, mieszanie powstałej fali jest maksymalne. Ponieważ sinusoidy odpowiadające poszczególnym falom biegną wzdłuż osi z z tą samą prędkością, a powstała krzywa przebiega z tą samą prędkością, nie zmieniając swojego kształtu. Okazuje się, że dotyczy to zaburzenia falowego o dowolnym kształcie: fale poprzeczne dowolnego typu rozchodzą się w rozciągniętej strunie, nie zmieniając swojego kształtu. O rozproszeniu fal. Jeśli prędkość propagacji fal monochromatycznych nie zależy od długości fali ani częstotliwości, to mówią, że nie ma dyspersji. Konsekwencją braku dyspersji jest zachowanie kształtu dowolnej fali podczas jej propagacji. Nie ma dyspersji dla fal dowolnego typu rozchodzących się w ciągłych ośrodkach sprężystych. Ta okoliczność sprawia, że bardzo łatwo jest znaleźć prędkość fal podłużnych.

Prędkość fal podłużnych.

Rozważmy na przykład długi, sprężysty pręt o powierzchni, w którym rozchodzi się zaburzenie podłużne ze stromą krawędzią natarcia. Niech w pewnym momencie ten przód, poruszając się z dużą prędkością, osiągnie punkt o współrzędnych na prawo od czoła, wszystkie punkty pręta będą nadal w spoczynku. Po pewnym czasie front przesunie się nieco w prawo (ryc. 198). W tej warstwie wszystkie cząstki poruszają się z tą samą prędkością. Po tym czasie cząstki pręta, które w danej chwili znajdowały się na czole fali, przesuną się wzdłuż pręta na pewną odległość. Zastosujmy prawo zachowania pędu do masy pręta biorącego udział w procesie falowym w czasie. Wyraźmy siłę działającą na masę poprzez odkształcenie elementu prętowego, korzystając z prawa Hooke'a. Długość wybranego elementu pręta jest równa i zmiana jego długości pod działaniem siły jest równa. Dlatego za pomocą znajdziemy Zastępując tę wartość w, otrzymujemy Prędkość podłużnych fal dźwiękowych w elastycznym pręcie zależy tylko od modułu Younga i gęstości. Łatwo zauważyć, że w przypadku większości metali prędkość ta wynosi w przybliżeniu. Prędkość fal podłużnych w ośrodku sprężystym jest zawsze większa niż prędkość fal poprzecznych. Porównajmy np. prędkości fal podłużnych i poprzecznych u(w rozciągniętej giętkiej strunie. Ponieważ przy małych odkształceniach stałe sprężystości nie zależą od przyłożonych sił, prędkość fal podłużnych w rozciągniętej strunie nie zależy od jej wstępnego naprężenia i wyznacza się ją ze wzoru. Aby porównać tę prędkość z wcześniej ustaloną prędkością fal poprzecznych u, wyrażamy siłę naciągu struny ujętą we wzorze poprzez względne odkształcenie struny pod wpływem tego wstępnego naprężenia. Podstawiając wartość do wzoru, otrzymujemy Zatem prędkość fal poprzecznych w napiętej strunie ut okazuje się znacznie mniejsza niż prędkość fal podłużnych, więc względne rozciągnięcie struny e jest znacznie mniejsze od jedności Kiedy fale się rozchodzą, energia jest przenoszona bez przenoszenia materii. Energia fali w ośrodku sprężystym składa się z energii kinetycznej oscylujących cząstek substancji i energii potencjalnej odkształcenia sprężystego ośrodka. fala podłużna w. elastyczny pręt. W ustalonym momencie energia kinetyczna rozkłada się nierównomiernie w całej objętości pręta, ponieważ niektóre punkty pręta są w tym momencie w spoczynku, podczas gdy inne, przeciwnie, poruszają się z maksymalną prędkością. To samo dotyczy energii potencjalnej, ponieważ w tym momencie niektóre elementy pręta nie ulegają odkształceniu, a inne są odkształcane maksymalnie. Dlatego rozważając energię fal, naturalnym jest wprowadzenie gęstości energii kinetycznej i potencjalnej. Gęstość energii fali w każdym punkcie ośrodka nie pozostaje stała, ale zmienia się okresowo w miarę przejścia fali: energia rozprzestrzenia się wraz z falą.

Dlaczego, gdy fala poprzeczna rozchodzi się w naciągniętej strunie, składowa podłużna siły naciągu struny jest taka sama na całej długości struny i nie zmienia się w miarę przejścia fali?

Co to są fale monochromatyczne? Jak długość fali monochromatycznej zależy od częstotliwości i prędkości propagacji? W jakich przypadkach fale nazywamy podłużnymi, a w jakich poprzecznymi? Za pomocą rozumowania jakościowego wykaż, że prędkość rozchodzenia się fali jest tym większa, im większa jest siła dążąca do przywrócenia zakłóconego odcinka ośrodka do stanu równowagi, a im mniejsza, tym większa jest bezwładność tego odcinka. Jakie cechy ośrodka decydują o prędkości fal podłużnych i prędkości fal poprzecznych? Jak prędkości takich fal w naciągniętej strunie są powiązane ze sobą?

Gęstość energii kinetycznej fali biegnącej.

Rozważmy gęstość energii kinetycznej w monochromatycznej fali sprężystej opisaną równaniem. Wybierzmy w pręcie pomiędzy płaszczyznami mały element tak, aby jego długość w stanie nieodkształconym była znacznie mniejsza od długości fali. Wtedy prędkości wszystkich cząstek pręta w tym elemencie podczas propagacji fali można uznać za takie same. Korzystając ze wzoru, znajdujemy prędkość, rozważając ją w funkcji czasu i biorąc pod uwagę wartość charakteryzującą położenie rozpatrywanego elementu pręta, który ma zostać ustalony. Masa wybranego elementu pręta, a więc jego energia kinetyczna w chwili czasu. Używając wyrażenia, wyznaczamy gęstość energii kinetycznej w danym punkcie w chwili czasu. Potencjalna gęstość energii. Przejdźmy do obliczenia potencjalnej gęstości energii fali. Ponieważ długość wybranego elementu pręta jest niewielka w porównaniu z długością fali, odkształcenie tego elementu wywołane falą można uznać za jednorodne. Dlatego potencjalną energię odkształcenia można zapisać jako wydłużenie rozpatrywanego elementu pręta spowodowane przechodzącą falą. Aby znaleźć to przedłużenie, należy wziąć pod uwagę położenie płaszczyzn ograniczających wybrany element w pewnym momencie. Chwilowe położenie dowolnej płaszczyzny, której położenie równowagi charakteryzuje się współrzędną, jest określone przez funkcję uważaną za funkcję stałą. Zatem wydłużenie rozpatrywanego elementu prętowego, jak widać z rys. 199, jest równe Względne wydłużenie tego elementu wynosi Jeśli w tym wyrażeniu dojdziemy do granicy w, to zamienia się ona w pochodną funkcji względem zmiennej w stałym. Korzystając ze wzoru, który otrzymujemy

Ryż. 199. Aby obliczyć względne wydłużenie pręta. Teraz wyrażenie na energię potencjalną przyjmuje postać, a gęstość energii potencjalnej w danym momencie jest energią fali biegnącej. Ponieważ prędkość propagacji fal podłużnych jest zgodna z prawymi stronami wzorów. Oznacza to, że w przemieszczającej się podłużnej fali sprężystej gęstości energii kinetycznej i potencjalnej są równe w dowolnym momencie i w dowolnym punkcie ośrodka. Zależność gęstości energii fali od współrzędnej w ustalonym czasie pokazano na ryc. 200. Zauważmy, że w przeciwieństwie do oscylacji zlokalizowanych (oscylator), gdzie energie kinetyczna i potencjalna zmieniają się w przeciwfazie, w fali bieżącej oscylacje energii kinetycznej i potencjalnej występują w tej samej fazie. Energie kinetyczne i potencjalne w każdym punkcie ośrodka jednocześnie osiągają wartości maksymalne i jednocześnie osiągają zero. Równość chwilowych wartości gęstości energii kinetycznej i potencjalnej jest ogólną właściwością fal biegnących fal rozchodzących się w określonym kierunku. Można zauważyć, że dotyczy to również fal poprzecznych w rozciągniętej giętkiej strunie. Ryż. 200. Przemieszczenie cząstek ośrodka i gęstość energii w fali biegnącej

Do tej pory rozważaliśmy fale rozchodzące się w układzie, który ma nieskończoną długość tylko w jednym kierunku: w łańcuchu wahadeł, w sznurku, w pręcie. Ale fale mogą również rozchodzić się w ośrodku o nieskończonych wymiarach we wszystkich kierunkach. W takim ośrodku ciągłym fale występują w różnych rodzajach w zależności od sposobu ich wzbudzenia. Fala płaska. Jeśli np. fala powstaje w wyniku drgań harmonicznych nieskończonej płaszczyzny, to w ośrodku jednorodnym rozchodzi się w kierunku prostopadłym do tej płaszczyzny. W takiej fali przemieszczenie wszystkich punktów ośrodka leżących na dowolnej płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji następuje dokładnie w ten sam sposób. Jeżeli energia fali nie jest absorbowana w ośrodku, to amplituda drgań punktów w ośrodku jest wszędzie taka sama, a ich przemieszczenie określa wzór. Falę taką nazywa się falą płaską.

Fala sferyczna.

Inny rodzaj fali sferycznej tworzony jest w jednorodnym izotropowym ośrodku sprężystym przez pulsującą kulę. Fala taka rozchodzi się z tą samą prędkością we wszystkich kierunkach. Jego powierzchnie falowe, powierzchnie o stałej fazie, są koncentrycznymi kulami. W przypadku braku absorpcji energii w ośrodku łatwo jest określić zależność amplitudy fali sferycznej od odległości od środka. Ponieważ przepływ energii fali, proporcjonalny do kwadratu amplitudy, jest taki sam przez dowolną kulę, amplituda fali maleje odwrotnie proporcjonalnie do odległości od środka. Równanie podłużnej fali sferycznej ma postać gdzie jest amplitudą oscylacji w odległości od środka fali.

Jak energia przenoszona przez falę biegnącą zależy od częstotliwości i amplitudy fali?

Co to jest fala płaska? Fala sferyczna? Jak amplitudy fal płaskich i sferycznych zależą od odległości?

Wyjaśnij, dlaczego w fali biegnącej energia kinetyczna i potencjalna zmieniają się w tej samej fazie.

Fale sprężyste rozchodzące się wzdłuż swobodnej granicy ciała stałego lub wzdłuż granicy ciała stałego z innymi ośrodkami

Animacja

Opis

Istnienie fal powierzchniowych (SW) jest konsekwencją oddziaływania podłużnych i (lub) poprzecznych fal sprężystych, gdy fale te odbijają się od płaskiej granicy pomiędzy różnymi ośrodkami w określonych warunkach brzegowych dla składowych przemieszczenia. PV w ciałach stałych dzielą się na dwie klasy: z polaryzacją pionową, w której wektor wibracyjnego przemieszczenia cząstek ośrodka leży w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni granicznej, oraz z polaryzacją poziomą, w której wektor przemieszczenia cząstek ośrodka ośrodek jest równoległy do powierzchni granicznej.

Do najczęstszych szczególnych przypadków fotowoltaiki należą następujące.

1) Fale Rayleigha (lub fale Rayleigha), rozchodzące się wzdłuż granicy ciała stałego z próżnią lub dość rozrzedzonym ośrodkiem gazowym. Energia tych fal zlokalizowana jest w warstwie powierzchniowej o grubości od l do 2l, gdzie l jest długością fali. Cząstki fali Rayleigha poruszają się po elipsach, których główna półoś w jest prostopadła do granicy, a mniejsza półoś u jest równoległa do kierunku propagacji fali (rys. 1a).

Powierzchniowo sprężysta fala Rayleigha na swobodnej granicy ciała stałego

Ryż. 1a

Oznaczenia:

Prędkość fazowa fal Rayleigha wynosi c R » 0,9c t , gdzie c t jest prędkością fazową płaskiej fali poprzecznej.

2) Tłumione fale typu Rayleigha na granicy ciała stałego z cieczą, pod warunkiem, że prędkość fazowa w cieczy o L< с R в твердом теле (что справедливо почти для всех реальных сред). Эта волна непрерывно излучает энергию в жидкость, образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну (рис. 1б).

Powierzchniowa fala sprężysta tłumiona typu Rayleigha na granicy ciała stałego i cieczy

Ryż. 1b

Oznaczenia:

x jest kierunkiem propagacji fali;

u,w - składowe wypierania cząstek;

krzywe przedstawiają przebieg zmian amplitudy przemieszczeń wraz z odległością od granicy;

linie ukośne to czoło fali wychodzącej.

Prędkość fazowa tej fali jest równa R, z dokładnością do procenta, a współczynnik tłumienia przy długości fali al ~ 0,1. Rozkład głębokości przemieszczeń i naprężeń jest taki sam jak w fali Rayleigha.

3) Fala ciągła o polaryzacji pionowej, przemieszczająca się wzdłuż granicy cieczy i ciała stałego z prędkością mniejszą niż L (i odpowiednio mniejszą niż prędkość fal podłużnych i poprzecznych w ciele stałym). Struktura tego PV jest zupełnie inna od struktury fali Rayleigha. Składa się z fali słabo niejednorodnej w cieczy, której amplituda powoli maleje wraz z odległością od granicy, oraz dwóch silnie niejednorodnych fal podłużnych i poprzecznych w ciele stałym (rys. 1c).

Nietłumione PV na granicy faz ciało stałe-ciecz

Ryż. 1c

Oznaczenia:

x jest kierunkiem propagacji fali;

u,w - składowe wypierania cząstek;

krzywe przedstawiają postęp zmian amplitudy przemieszczenia wraz z odległością od granicy.

Energia fali i ruch cząstek zlokalizowane są głównie w cieczy.

4) Fala Stoneleya rozchodząca się wzdłuż płaskiej granicy dwóch ośrodków stałych, których moduły sprężystości i gęstości nie różnią się zbytnio. Fala taka składa się (rys. 1d) jak z dwóch fal Rayleigha – po jednej w każdym ośrodku.

Powierzchniowo elastyczna fala Stonleya na styku dwóch ośrodków stałych

Ryż. 1g

Oznaczenia:

x jest kierunkiem propagacji fali;

u,w - składowe wypierania cząstek;

krzywe przedstawiają postęp zmian amplitudy przemieszczenia wraz z odległością od granicy.

Pionowa i pozioma składowa przemieszczeń w każdym ośrodku maleje wraz z odległością od granicy, tak że energia fali skupia się w dwóch warstwach granicznych o grubości ~1. Prędkość fazowa fali Stoneleya jest mniejsza niż wartości prędkości fazowych fal podłużnych i poprzecznych w obu sąsiednich ośrodkach.

5) Fale miłości - SW o polaryzacji poziomej, które mogą propagować na granicy półprzestrzeni stałej z warstwą stałą (ryc. 1e).

Powierzchniowa elastyczna fala miłości na granicy „półprzestrzeń stała – warstwa stała”

Ryż. 1d

Oznaczenia:

x jest kierunkiem propagacji fali;

krzywe przedstawiają postęp zmian amplitudy przemieszczenia wraz z odległością od granicy.

Fale te są czysto poprzeczne: mają tylko jedną składową przemieszczenia v, a odkształcenie sprężyste fali Love jest czystym ścinaniem. Przemieszczenia w warstwie (indeks 1) i w półprzestrzeni (indeks 2) opisują wyrażenia:

v 1 = (A ¤ cos(s 1 h)) cos(s 1 (h - z))sin(w t - kx) ;

v 2 = ZA H. exp(s 2 z) sin(w t - kx ),

gdzie t to czas;

w - częstotliwość kołowa;

s 1 = ( k t1 2 - k 2 )1/2 ;

s 2 = (k 2 - k t2 2) 1/2;

k jest liczbą falową fali Miłości;

k t1, k t2 – liczby falowe fal poprzecznych odpowiednio w warstwie i w półprzestrzeni;

h - grubość warstwy;

A jest dowolną stałą.

Z wyrażeń dla v 1 i v 2 wynika, że przemieszczenia w warstwie rozkładają się wzdłuż cosinusa, a w półprzestrzeni maleją wykładniczo wraz z głębokością. Fale miłości charakteryzują się rozproszeniem prędkości. Przy małych grubościach warstw prędkość fazowa fali Love ma tendencję do prędkości fazowej masywnej fali poprzecznej w półprzestrzeni. Dla w h ¤ c t2 >>1 fale miłości istnieją w postaci kilku modyfikacji, z których każda odpowiada normalnej fali określonego rzędu.

Fale na swobodnej powierzchni cieczy lub na styku dwóch niemieszających się cieczy są również uważane za fale falowe. Takie PV powstają pod wpływem wpływów zewnętrznych, na przykład wiatru, który usuwa powierzchnię cieczy ze stanu równowagi. W tym przypadku jednak fale sprężyste nie mogą istnieć. W zależności od charakteru sił przywracających wyróżnia się 3 typy PV: grawitacyjne, powodowane głównie przez grawitację; kapilara, spowodowana głównie siłami napięcia powierzchniowego; grawitacyjno-kapilarne (patrz opis FE „Fale powierzchniowe w cieczy”).

Charakterystyka czasowa

Czas inicjacji (log do -3 do -1);

Czas życia (log tc od -1 do 3);

Czas degradacji (log td od -1 do 1);

Optymalny czas wywoływania (log tk od 0 do 1).

Diagram:

Techniczne wdrożenia efektu

Techniczna realizacja efektu

Falę Rayleigha można otrzymać na swobodnej powierzchni wystarczająco rozciągniętego ciała stałego (granica ciało stałe-powietrze). W tym celu emiter fal sprężystych (podłużnych, poprzecznych) umieszcza się na powierzchni ciała (ryc. 2), chociaż w zasadzie źródło fal może również znajdować się na pewnej głębokości wewnątrz ośrodka (trzęsienie ziemi model źródłowy).

Generacja fali Rayleigha na swobodnej granicy ciała stałego

Ryż. 2

Stosowanie efektu

Ponieważ sejsmiczne PV słabo osłabiają się wraz z odległością, PV, głównie Rayleigha i Love, są wykorzystywane w geofizyce do określania struktury skorupy ziemskiej. W ultradźwiękowej detekcji wad PV służy do kompleksowych badań nieniszczących powierzchni i warstwy powierzchniowej próbki. W akustoelektronice (AE), wykorzystując fotowoltaikę, możliwe jest tworzenie obwodów mikroelektronicznych do przetwarzania sygnałów elektrycznych. Zaletami fotowoltaiki w urządzeniach AE są niskie straty konwersji podczas wzbudzania i odbioru fotowoltaiki, dostępność czoła fali, co pozwala na odbiór sygnału i kontrolowanie propagacji fali w dowolnym punkcie rurociągu dźwiękowego itp.

Przykład urządzeń AE na PV: rezonator (ryc. 3).

Struktura rezonansowa na powierzchniowych falach akustycznych

Ryż. 3

Oznaczenia:

1 - konwerter;

2 - system reflektorów (elektrody metalowe lub rowki).

Współczynnik jakości do 104, niskie straty (poniżej 5 dB), zakres częstotliwości 30 - 1000 MHz. Zasada działania. Pomiędzy reflektorami 2 powstaje stała fotowoltaika, która jest generowana i odbierana przez konwerter 1.

Literatura

1. USG / wyd. IP Golyamina.- M.: Encyklopedia radziecka, 1979.- s. 400.

2. Brekhovskikh L.M., Goncharov V.V. Wprowadzenie do mechaniki kontinuum - M.: Nauka, 1982.

Słowa kluczowe

amplituda
fala powierzchniowa
Fala Rayleigha
Fala miłości
Fala Stoneleya
fala spolaryzowana pionowo
fala spolaryzowana poziomo
długość fali
prędkość fali
dyspersja prędkości
częstotliwość

Sekcje nauk przyrodniczych:

Powierzchniowe fale akustyczne(SAW) - fale sprężyste rozchodzące się po powierzchni ciała stałego lub wzdłuż granicy z innymi ośrodkami. Surfaktanty dzielą się na dwa typy: z polaryzacją pionową i z polaryzacją poziomą ( Fale miłości).

Do najczęstszych szczególnych przypadków fal powierzchniowych należą:

Fale Rayleigha(lub Rayleigha), w klasycznym sensie, rozprzestrzeniający się wzdłuż granicy elastycznej półprzestrzeni z próżnią lub dość rozrzedzonym ośrodkiem gazowym.
na granicy faz ciało stałe-ciecz.
, biegnący wzdłuż granicy cieczy i ciała stałego
Fala Stoneleigha, propagujący wzdłuż płaskiej granicy dwóch ośrodków stałych, których moduły sprężystości i gęstość nie różnią się zbytnio.
Fale miłości- fale powierzchniowe o polaryzacji poziomej (typu SH), które mogą rozchodzić się w sprężystej strukturze warstwowej w sprężystej półprzestrzeni.

Encyklopedyczny YouTube

1 / 3

✪ Fale sejsmiczne

✪ Fale podłużne i poprzeczne. Fale dźwiękowe. Lekcja 120

✪ Wykład siódmy: Fale

Napisy na filmie obcojęzycznym

W tym filmie chcę trochę omówić fale sejsmiczne. Zapiszmy temat. Po pierwsze, są one bardzo interesujące same w sobie, a po drugie, są bardzo ważne dla zrozumienia budowy Ziemi. Widzieliście już mój film o warstwach Ziemi i to dzięki falom sejsmicznym dowiedzieliśmy się, z jakich warstw składa się nasza planeta. I chociaż fale sejsmiczne są zwykle kojarzone z trzęsieniami ziemi, w rzeczywistości są to dowolne fale przemieszczające się po ziemi. Mogą pochodzić z trzęsienia ziemi, silnej eksplozji, wszystkiego, co może wysłać dużo energii bezpośrednio do ziemi i kamienia. Istnieją więc dwa główne rodzaje fal sejsmicznych. I skupimy się bardziej na jednym z nich. Pierwszą z nich są fale powierzchniowe. Zapiszmy to. Drugi to fale ciała. Fale powierzchniowe to po prostu fale, które przemieszczają się po powierzchni czegoś. W naszym przypadku na powierzchni ziemi. Tutaj, na ilustracji, możesz zobaczyć, jak wyglądają fale powierzchniowe. Przypominają zmarszczki, które można zobaczyć na powierzchni wody. Istnieją dwa rodzaje fal powierzchniowych: fale Rayleigha i fale Miłości. Nie będę wdawał się w szczegóły, ale tutaj widać, że fale Rayleigha poruszają się w górę i w dół. To tutaj Ziemia porusza się w górę i w dół. To się tu porusza. Wszystko gotowe. A potem - znowu w dół. Wygląda jak fala biegnąca po ziemi. Fale miłości z kolei poruszają się na boki. Oznacza to, że tutaj fala nie porusza się w górę i w dół, ale jeśli spojrzysz w kierunku fali, porusza się ona w lewo. Tutaj przesuwa się w prawo. Tutaj - po lewej stronie. Tutaj - znowu w prawo. W obu przypadkach ruch fali jest prostopadły do kierunku jej ruchu. Czasami takie fale nazywane są falami poprzecznymi. A oni, jak powiedziałem, są jak fale na wodzie. Fale ciała są znacznie ciekawsze, ponieważ po pierwsze są to fale najszybsze. Poza tym to właśnie te fale służą do badania struktury ziemi. Fale ciała występują w dwóch rodzajach. Istnieją załamki P, czyli fale pierwotne. I fale S lub wtórne. Można je zobaczyć tutaj. Fale takie to energia przemieszczająca się wewnątrz ciała. I to nie tylko na jego powierzchni. Tak więc na tym zdjęciu, które pobrałem z Wikipedii, widać, jak uderza się młotkiem w duży kamień. A kiedy młot uderza w kamień... Pozwólcie, że przerysuję go w większym rozmiarze. Tutaj będę miał kamień i uderzę go młotkiem. Będzie ściskać kamień w miejscu uderzenia. Następnie energia uderzenia popchnie cząsteczki, które zderzą się z cząsteczkami obok. A te cząsteczki zderzą się z cząsteczkami znajdującymi się za nimi, a te z kolei z cząsteczkami obok nich. Okazuje się, że ta ściśnięta część kamienia porusza się jak fala. Są to skompresowane cząsteczki, zderzą się z pobliskimi cząsteczkami i wtedy kamień tutaj stanie się gęstszy. Pierwsze cząsteczki, te, które rozpoczęły cały ruch, wrócą na swoje miejsce. Dlatego kompresja przesunęła się i będzie się przesuwać dalej. Rezultatem jest fala kompresji. Uderzasz w to młotkiem i otrzymujesz zmieniającą się gęstość, która porusza się w kierunku fali. W naszym przypadku cząsteczki poruszają się tam i z powrotem wzdłuż tej samej osi. Równolegle do kierunku fali. To są załamki P. Fale P mogą przemieszczać się w powietrzu. Zasadniczo fale dźwiękowe są falami kompresyjnymi. Mogą poruszać się zarówno w cieczach, jak i ciałach stałych. W zależności od środowiska poruszają się z różną prędkością. W powietrzu poruszają się z prędkością 330 m/s, czyli niezbyt małą jak na codzienne życie. W cieczy poruszają się z prędkością 1500 m/s. Natomiast w granicie, który stanowi większość powierzchni Ziemi, poruszają się z prędkością 5000 m/s. Pozwól mi to zapisać. 5000 metrów, czyli 5 km/s w granicie. Narysuję teraz fale S, bo ta jest za mała. Jeśli uderzysz w ten obszar młotkiem, siła uderzenia chwilowo przesunie kamień na bok. Ulegnie lekkiemu odkształceniu i pociągnie za sobą sąsiadujący fragment kamienia. Skała na górze zostanie następnie rozebrana, a skała, która została pierwotnie uderzona, powróci do góry. Po około milisekundach warstwa kamienia na górze odkształca się lekko w prawo. A potem, z biegiem czasu, odkształcenie będzie przesuwać się w górę. Zauważ, że w tym przypadku fala również porusza się w górę. Ale ruch materiału nie jest już równoległy do osi, jak w przypadku fal P, ale prostopadły. Te prostopadłe fale nazywane są również drganiami poprzecznymi. Ruch cząstek jest prostopadły do osi ruchu fali. To są fale S. Poruszają się nieco wolniej niż załamki P. Dlatego też, jeśli nastąpi trzęsienie ziemi, najpierw poczujesz fale P. Następnie, przy około 60% prędkości załamków P, pojawią się załamki S. Aby więc zrozumieć strukturę Ziemi, należy pamiętać, że fale S mogą przemieszczać się tylko w materii stałej. Zapiszmy to. Można powiedzieć, że widziałeś na wodzie fale poprzeczne. Ale były fale powierzchniowe. I omawiamy fale ciała. Fale rozchodzące się w określonej objętości wody. Żeby było łatwiej sobie wyobrazić, naczerpię wody, powiedzmy, że będzie tu basen. W kontekście. Coś w tym stylu. Tak, mogłem to lepiej narysować. Oto przekrój basenu. Mam nadzieję, że rozumiecie, co się w nim dzieje. A jeśli skompresuję część wody, na przykład uderzając ją czymś bardzo dużym, to woda szybko się skompresuje. Fala P będzie mogła się poruszać, ponieważ cząsteczki wody zderzą się z cząsteczkami znajdującymi się obok nich, które zderzą się z cząsteczkami znajdującymi się za nimi. I ta kompresja, ta fala P, przesunie się w kierunku mojego uderzenia. To pokazuje, że fala P może przemieszczać się zarówno w cieczach, jak i na przykład w powietrzu. Cienki. I pamiętajcie, że mówimy o falach podwodnych. Nie o powierzchniach. Nasze fale poruszają się w objętości wody. Załóżmy, że wzięliśmy młotek i uderzyliśmy z boku określoną objętość wody. A to spowoduje jedynie falę kompresji w tym kierunku. I nic więcej. Fala poprzeczna nie wystąpi, ponieważ fala nie ma elastyczności umożliwiającej jej częściom oscylowanie z boku na bok. Fala S wymaga elastyczności, która występuje tylko w ciałach stałych. W dalszej części wykorzystamy właściwości fal P, które mogą rozchodzić się w powietrzu, cieczach i ciałach stałych, a także właściwości fal S, aby dowiedzieć się, z czego zbudowana jest ziemia. Napisy autorstwa społeczności Amara.org

Fale Rayleigha

Stłumione fale Rayleigha

Tłumione fale typu Rayleigha na granicy faz ciało stałe-ciecz.

Fala ciągła z polaryzacją pionową

Fala ciągła z polaryzacją pionową, biegnący wzdłuż granicy cieczy i ciała stałego z prędkością dźwięku w danym ośrodku.

Fala(Fala, przypływ, morze) - powstają w wyniku przylegania cząstek cieczy i powietrza; przesuwając się po gładkiej powierzchni wody, powietrze początkowo tworzy zmarszczki, a dopiero potem, działając na jego pochyłe powierzchnie, stopniowo rozwija się wzburzenie masy wody. Doświadczenie pokazało, że cząstki wody nie poruszają się do przodu; porusza się tylko w pionie. Fale morskie to ruch wody po powierzchni morza, który zachodzi w określonych odstępach czasu.

Najwyższy punkt fali nazywany jest grzebień lub szczyt fali, a najniższy punkt to podeszwa. Wysokość fali to odległość od grzbietu do jej podstawy, oraz długość jest to odległość między dwoma grzbietami lub podeszwami. Nazywa się czas pomiędzy dwoma grzbietami lub dolinami okres fale.

Główne przyczyny

Średnio wysokość fali podczas burzy w oceanie sięga 7-8 metrów, zwykle może rozciągać się na długość - do 150 metrów, a podczas burzy do 250 metrów.

W większości przypadków fale morskie powstają pod wpływem wiatru. Siła i wielkość takich fal zależy od siły wiatru, jego czasu trwania i „przyspieszenia” – długości drogi, po której wiatr oddziałuje na wodę. powierzchnia. Czasami fale uderzające w wybrzeże mogą pochodzić tysiące kilometrów od wybrzeża. Ale istnieje wiele innych czynników wpływających na występowanie fal morskich: są to siły pływowe Księżyca i Słońca, wahania ciśnienia atmosferycznego, erupcje podwodnych wulkanów, podwodne trzęsienia ziemi i ruch statków morskich.

Fale obserwowane w innych zbiornikach wodnych mogą być dwojakiego rodzaju:

1) Wiatr tworzone przez wiatr, nabierające stałego charakteru po ustaniu działania wiatru i nazywane falami ustalonymi lub falami; Fale wiatrowe powstają w wyniku działania wiatru (ruchu mas powietrza) na powierzchnię wody, czyli wtrysku. Powód oscylacyjnych ruchów fal stanie się łatwy do zrozumienia, jeśli zauważysz wpływ tego samego wiatru na powierzchnię pola pszenicy. Wyraźnie widoczna jest niestałość przepływów wiatru, które tworzą fale.

2) Fale ruchu, czyli fale stojące, powstają w wyniku silnych wstrząsów dna podczas trzęsień ziemi lub wzbudzane, na przykład, przez gwałtowną zmianę ciśnienia atmosferycznego. Fale te nazywane są również falami pojedynczymi.

W przeciwieństwie do pływów i prądów fale nie przemieszczają mas wody. Fale poruszają się, ale woda pozostaje na swoim miejscu. Łódź kołysząca się na falach nie odpływa wraz z falą. Będzie mogła poruszać się lekko po pochyłym zboczu tylko dzięki sile grawitacji Ziemi. Cząsteczki wody w fali poruszają się po pierścieniach. Im dalej te pierścienie znajdują się od powierzchni, tym stają się mniejsze i ostatecznie znikają całkowicie. Będąc na łodzi podwodnej na głębokości 70-80 metrów, nie odczujesz działania fal morskich nawet podczas najcięższej burzy na powierzchni.

Rodzaje fal morskich

Fale mogą pokonywać duże odległości, nie zmieniając kształtu i praktycznie nie tracąc energii, długo po tym, jak ucichnie wiatr, który je wywołał. Rozbijając się o brzeg, fale morskie uwalniają ogromną energię zgromadzoną podczas podróży. Siła nieustannie załamujących się fal zmienia kształt brzegu na różne sposoby. Rozprzestrzeniające się i toczące się fale obmywają brzeg i dlatego nazywane są konstruktywny. Fale uderzające w brzeg stopniowo go niszczą i zmywają chroniące go plaże. Dlatego się je nazywa destrukcyjny.

Niskie, szerokie i zaokrąglone fale oddalone od brzegu nazywane są falami. Fale powodują, że cząsteczki wody opisują koła i pierścienie. Rozmiar pierścieni zmniejsza się wraz z głębokością. Gdy fala zbliża się do pochyłego brzegu, znajdujące się w niej cząsteczki wody opisują coraz bardziej spłaszczone owale. Zbliżając się do brzegu, fale morskie nie mogą już zamykać swoich owali i fala się załamuje. W płytkiej wodzie cząsteczki wody nie mogą już zamykać swoich owali i fala załamuje się. Przylądki powstają z twardszych skał i ulegają erozji wolniej niż sąsiednie odcinki wybrzeża. Strome, wysokie fale morskie podważają skaliste klify u podstawy, tworząc nisze. Klify czasami się zapadają. Po skałach zniszczonych przez morze pozostał jedynie wygładzony przez fale taras. Czasami woda unosi się wzdłuż pionowych pęknięć w skale do góry i wypływa na powierzchnię, tworząc lejek. Niszczycielska siła fal poszerza pęknięcia w skale, tworząc jaskinie. Kiedy fale ścierają skałę po obu stronach, aż spotykają się w miejscu przerwania, tworzą się łuki. Kiedy szczyt łuku wpada do morza, pozostają kamienne filary. Ich fundamenty zostają podważone, a filary zawalą się, tworząc głazy. Kamyczki i piasek na plaży są wynikiem erozji.

Niszczycielskie fale stopniowo niszczą wybrzeże i zabierają piasek i kamyki z morskich plaż. Przenosząc cały ciężar wody i wypłukanego materiału na zbocza i klify, fale niszczą ich powierzchnię. Wciskają wodę i powietrze w każdą szczelinę, każdą szczelinę, często z wybuchową energią, stopniowo oddzielając i osłabiając skały. Rozbite fragmenty skał wykorzystywane są do dalszego niszczenia. Nawet najtwardsze skały ulegają stopniowemu zniszczeniu, a ląd na brzegu zmienia się pod wpływem fal. Fale mogą zniszczyć brzeg morza z niesamowitą prędkością. W Lincolnshire w Anglii erozja (zniszczenie) postępuje w tempie 2 m rocznie. Od 1870 roku, kiedy na Cape Hatteras zbudowano największą latarnię morską w Stanach Zjednoczonych, morze zmyło plaże 426 m w głąb lądu.

Tsunami

Tsunami Są to fale o ogromnej niszczycielskiej sile. Są spowodowane podwodnymi trzęsieniami ziemi lub erupcjami wulkanów i mogą przemierzać oceany szybciej niż samolot odrzutowy: 1000 km/h. W głębokich wodach mogą mieć mniej niż metr, ale zbliżając się do brzegu, zwalniają i rosną do 30-50 metrów, po czym zapadają się, zalewając brzeg i zmiatając wszystko na swojej drodze. 90% wszystkich zarejestrowanych tsunami miało miejsce na Oceanie Spokojnym.

Najczęstsze powody.

Około 80% przypadków generowania tsunami to tzw podwodne trzęsienia ziemi. Podczas trzęsienia ziemi pod wodą następuje wzajemne pionowe przemieszczenie dna: część dna opada, a część unosi się. Na powierzchni wody ruchy oscylacyjne zachodzą pionowo, dążąc do powrotu do pierwotnego poziomu – średniego poziomu morza – i generują serię fal. Nie każdemu podwodnemu trzęsieniu ziemi towarzyszy tsunami. Tsunamigeniczne (czyli generujące falę tsunami) to zwykle trzęsienie ziemi o płytkim źródle. Problem uznania tsunamigeniczności trzęsienia ziemi nie został jeszcze rozwiązany, a służby ostrzegawcze kierują się wielkością trzęsienia ziemi. Najpotężniejsze tsunami powstają w strefach subdukcji. Konieczne jest również, aby podwodny wstrząs rezonował z oscylacjami fal.

Osuwiska. Tsunami tego typu występują częściej niż szacowano w XX wieku (około 7% wszystkich tsunami). Często trzęsienie ziemi powoduje osunięcie się ziemi, a także generuje falę. 9 lipca 1958 r. trzęsienie ziemi na Alasce spowodowało osunięcie się ziemi w zatoce Lituya. Masa lodu i skał ziemnych zawaliła się z wysokości 1100 m. Na przeciwległym brzegu zatoki utworzyła się fala, która osiągnęła wysokość ponad 524 m. Przypadki tego rodzaju są dość rzadkie i nie są uważane za standard . Ale podwodne osuwiska występują znacznie częściej w deltach rzek, które są nie mniej niebezpieczne. Trzęsienie ziemi może spowodować osunięcie się ziemi, a na przykład w Indonezji, gdzie sedymentacja szelfów jest bardzo duża, szczególnie niebezpieczne są tsunami związane z osuwiskami, ponieważ występują regularnie i powodują lokalne fale o wysokości przekraczającej 20 metrów.

Erupcje wulkaniczne stanowią około 5% wszystkich zdarzeń tsunami. Duże podwodne erupcje mają taki sam skutek jak trzęsienia ziemi. Podczas dużych eksplozji wulkanów nie tylko powstają fale powstałe w wyniku eksplozji, ale woda wypełnia również puste przestrzenie powstałe w wyniku erupcji, a nawet kalderę, tworząc falę długą. Klasycznym przykładem jest tsunami powstałe po erupcji Krakatau w 1883 roku. W portach na całym świecie zaobserwowano ogromne tsunami wywołane wulkanem Krakatoa, które zniszczyły łącznie ponad 5000 statków i zabiły około 36 000 ludzi.

Oznaki tsunami.

Nagle szybko wycofanie wody z brzegu na znaczną odległość i wysuszenie dna. Im bardziej cofa się morze, tym wyższe mogą być fale tsunami. Ludzie, którzy są na brzegu i o których nie wiedzą niebezpieczeństwa, może zostać z ciekawości lub zebrać ryby i muszelki. W takim przypadku należy jak najszybciej opuścić brzeg i oddalić się od niego jak najdalej – tej zasady należy przestrzegać np. w Japonii, na wybrzeżu Oceanu Indyjskiego w Indonezji, czy na Kamczatce. W przypadku teletsunami fala zwykle zbliża się bez cofania się wody.
Trzęsienie ziemi. Epicentrum trzęsienia ziemi zwykle znajduje się w oceanie. Na wybrzeżu trzęsienia ziemi są zwykle znacznie słabsze, a często w ogóle nie ma trzęsienia ziemi. W rejonach narażonych na tsunami obowiązuje zasada, że w przypadku odczuwalnego trzęsienia ziemi lepiej oddalić się od wybrzeża i jednocześnie wspiąć się na wzgórze, przygotowując się w ten sposób z wyprzedzeniem na nadejście fali.
Niezwykły dryf lód i inne obiekty pływające, powstawanie pęknięć w szybkim lodzie.
Ogromne błędy wsteczne na krawędziach stacjonarnego lodu i raf, powstawanie tłumów i prądów.

zbójeckie fale

zbójeckie fale(Fale wędrowne, fale potworów, fale dziwaczne - fale anomalne) - gigantyczne fale powstające w oceanie, wysokie na ponad 30 metrów, zachowują się nietypowo dla fal morskich.

Jeszcze 10–15 lat temu naukowcy uważali opowieści marynarzy o gigantycznych falach zabójczych, które pojawiają się nie wiadomo skąd i zatapiają statki, za po prostu morski folklor. Przez długi czas wędrujące fale uznano za fikcję, ponieważ nie pasowały do żadnego istniejącego wówczas modelu matematycznego służącego do obliczania występowania i ich zachowania, ponieważ fale o wysokości większej niż 21 metrów nie mogą istnieć w oceanach planety Ziemia.

Jeden z pierwszych opisów fali potworów pochodzi z 1826 roku. Jego wysokość wynosiła ponad 25 metrów i zauważono go na Oceanie Atlantyckim w pobliżu Zatoki Biskajskiej. Nikt nie wierzył w tę wiadomość. A w 1840 r. nawigator Dumont d'Urville zaryzykował pojawienie się na spotkaniu Francuskiego Towarzystwa Geograficznego i oświadczenie, że na własne oczy widział 35-metrową falę. Obecni śmiali się z niego. Ale są historie o ogromnych falach duchów które nagle, nawet przy małej burzy, pojawiły się na środku oceanu, a ich stromość przypominała strome ściany wody, stawało się coraz większe.

Historyczne dowody na istnienie fal nieuczciwych

Tak więc w 1933 roku okręt marynarki wojennej USA Ramapo wpadł w sztorm na Pacyfiku. Przez siedem dni statkiem miotały fale. A rankiem 7 lutego nagle z tyłu wypełzł szyb o niewiarygodnej wysokości. Najpierw statek został wrzucony w głęboką otchłań, a następnie uniesiony niemal pionowo na górę spienionej wody. Załoga, która miała szczęście przeżyć, zanotowała wysokość fali wynoszącą 34 metry. Poruszał się z prędkością 23 m/s, czyli 85 km/h. Jak dotąd uważa się, że jest to najwyższa fala nieuczciwa, jaką kiedykolwiek zmierzono.

Podczas II wojny światowej, w 1942 r., liniowiec Queen Mary przewiózł z Nowego Jorku do Wielkiej Brytanii 16 tys. amerykańskich żołnierzy (swoją drogą rekord w liczbie osób przewożonych na jednym statku). Nagle pojawiła się 28-metrowa fala. „Górny pokład znajdował się na zwykłej wysokości i nagle – nagle! – nagle opadł” – wspomina doktor Norval Carter, który był na pokładzie nieszczęsnego statku. Statek przechylił się pod kątem 53 stopni – gdyby kąt był choćby o trzy stopnie większy, śmierć byłaby nieunikniona. Historia „Królowej Marii” stała się podstawą hollywoodzkiego filmu „Posejdon”.

Jednak 1 stycznia 1995 roku na platformie wiertniczej Dropner na Morzu Północnym u wybrzeży Norwegii po raz pierwszy za pomocą instrumentów zarejestrowano falę o wysokości 25,6 metra, zwaną falą Dropnera. Projekt Maximum Wave pozwolił nam na świeże spojrzenie na przyczyny śmierci statków do przewozu ładunków suchych, które przewoziły kontenery i inne ważne ładunki. Dalsze badania wykazały, że w ciągu trzech tygodni na całym świecie pojawiło się ponad 10 pojedynczych gigantycznych fal, których wysokość przekraczała 20 metrów. Nowy projekt nosi nazwę Wave Atlas i przewiduje zestawienie ogólnoświatowej mapy obserwowanych fal potworów oraz jej późniejsze przetworzenie i dodanie.

Powoduje

Istnieje kilka hipotez na temat przyczyn ekstremalnych fal. Wielu z nich brakuje zdrowego rozsądku. Najprostsze wyjaśnienia opierają się na analizie prostej superpozycji fal o różnych długościach. Szacunki pokazują jednak, że prawdopodobieństwo wystąpienia fal ekstremalnych w takim schemacie jest zbyt małe. Kolejna warta uwagi hipoteza sugeruje możliwość skupienia energii fal w niektórych strukturach prądu powierzchniowego. Struktury te są jednak zbyt specyficzne, aby mechanizm skupiający energię mógł wyjaśnić systematyczne występowanie ekstremalnych fal. Najbardziej wiarygodne wyjaśnienie występowania fal ekstremalnych powinno opierać się na wewnętrznych mechanizmach nieliniowych fal powierzchniowych, bez angażowania czynników zewnętrznych.

Co ciekawe, takimi falami mogą być zarówno grzbiety, jak i doliny, co potwierdzają naoczni świadkowie. Dalsze badania dotyczą skutków nieliniowości fal wiatrowych, które mogą prowadzić do powstawania małych grup fal (pakietów) lub pojedynczych fal (solitony), które mogą przemieszczać się na duże odległości bez istotnej zmiany swojej struktury. Podobne opakowania zaobserwowano także wielokrotnie w praktyce. Charakterystyczną cechą takich grup fal, potwierdzającą tę teorię, jest to, że poruszają się one niezależnie od innych fal i mają niewielką szerokość (poniżej 1 km), przy czym wysokość na krawędziach gwałtownie maleje.

Jednak nie udało się jeszcze całkowicie wyjaśnić natury fal anomalnych.

2. Fala mechaniczna.

3. Źródło fal mechanicznych.

4. Punktowe źródło fal.

5. Fala poprzeczna.

6. Fala podłużna.

7. Front fali.

9. Fale okresowe.

10. Fala harmoniczna.

11. Długość fali.

12. Szybkość rozprzestrzeniania się.

13. Zależność prędkości fali od właściwości ośrodka.

14. Zasada Huygensa.

15. Odbicie i załamanie fal.

16. Prawo odbicia fali.

17. Prawo załamania fali.

18. Równanie fali płaskiej.

19. Energia i intensywność fal.

20. Zasada superpozycji.

21. Oscylacje spójne.

22. Fale spójne.

23. Interferencja fal. a) warunek maksimum zakłóceń, b) stan minimum zakłóceń.

24. Zakłócenia i prawo zachowania energii.

25. Dyfrakcja fal.

26. Zasada Huygensa-Fresnela.

27. Fala spolaryzowana.

29. Głośność dźwięku.

30. Wysokość dźwięku.

31. Barwa dźwięku.

32. USG.

33. Infradźwięki.

34. Efekt Dopplera.

1.Fala - Jest to proces propagacji drgań dowolnej wielkości fizycznej w przestrzeni. Na przykład fale dźwiękowe w gazach lub cieczach reprezentują propagację wahań ciśnienia i gęstości w tych mediach. Fala elektromagnetyczna to proces rozchodzenia się oscylacji natężenia elektrycznych pól magnetycznych w przestrzeni.

Energię i pęd można przenosić w przestrzeni poprzez transfer materii. Każde poruszające się ciało ma energię kinetyczną. Dlatego przenosi energię kinetyczną poprzez transport materii. To samo ciało, ogrzewając się, poruszając się w przestrzeni, przekazuje energię cieplną, przenosząc materię.

Cząstki ośrodka elastycznego są ze sobą połączone. Zakłócenia, tj. odchylenia od położenia równowagi jednej cząstki przenoszone są na cząstki sąsiednie, tj. energia i pęd są przenoszone z jednej cząstki na sąsiednie cząstki, podczas gdy każda cząstka pozostaje w pobliżu swojego położenia równowagi. W ten sposób energia i pęd są przenoszone wzdłuż łańcucha z jednej cząstki na drugą i nie następuje żadne przeniesienie materii.

Zatem proces falowy jest procesem przenoszenia energii i pędu w przestrzeni bez przenoszenia materii.

2. Fala mechaniczna lub fala sprężysta– zaburzenie (oscylacja) rozchodzące się w ośrodku sprężystym. Ośrodkiem sprężystym, w którym rozchodzą się fale mechaniczne, jest powietrze, woda, drewno, metale i inne substancje sprężyste. Fale sprężyste nazywane są falami dźwiękowymi.

3. Źródło fal mechanicznych- ciało wykonujące ruch oscylacyjny w ośrodku sprężystym, np. wibrujące kamertony, struny, struny głosowe.

4. Źródło fali punktowej –źródło fali, którego wielkość można pominąć w porównaniu z odległością, na jaką przebywa fala.

5. Fala poprzeczna – fala, w której cząstki ośrodka oscylują w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. Na przykład fale na powierzchni wody są falami poprzecznymi, ponieważ drgania cząsteczek wody zachodzą w kierunku prostopadłym do kierunku powierzchni wody, a fala rozchodzi się po powierzchni wody. Fala poprzeczna rozchodzi się wzdłuż liny, której jeden koniec jest nieruchomy, a drugi oscyluje w płaszczyźnie pionowej.

Fala poprzeczna może rozchodzić się tylko na styku różnych ośrodków.

6. Fala podłużna - fala, w której oscylacje występują w kierunku propagacji fali. Fala podłużna występuje w długiej sprężynie śrubowej, jeśli jeden koniec podlega okresowym zakłóceniom skierowanym wzdłuż sprężyny. Fala sprężysta biegnąca wzdłuż sprężyny reprezentuje rozprzestrzeniającą się sekwencję ściskania i rozciągania (ryc. 88)

Fala podłużna może rozchodzić się tylko w ośrodku elastycznym, na przykład w powietrzu, w wodzie. W ciałach stałych i cieczach zarówno fale poprzeczne, jak i podłużne mogą rozchodzić się jednocześnie, ponieważ ciało stałe i ciecz są zawsze ograniczone przez powierzchnię - granicę pomiędzy dwoma ośrodkami. Na przykład, jeśli stalowy pręt zostanie uderzony młotkiem na końcu, wówczas zacznie się w nim rozprzestrzeniać odkształcenie sprężyste. Po powierzchni pręta będzie przebiegać fala poprzeczna, w jego wnętrzu będzie się propagować fala podłużna (kompresja i rozrzedzenie ośrodka) (ryc. 89).

7. Czoło fali (powierzchnia fali)– miejsce geometryczne punktów oscylujących w tych samych fazach. Na powierzchni fali fazy punktów drgających w rozpatrywanym momencie czasu mają tę samą wartość. Jeśli wrzucisz kamień do spokojnego jeziora, wówczas fale poprzeczne w kształcie koła zaczną rozprzestrzeniać się po powierzchni jeziora od miejsca, w którym spadł, ze środkiem w miejscu, w którym spadł kamień. W tym przykładzie czoło fali jest kołem.

W fali sferycznej czoło fali jest kulą. Fale takie generowane są przez źródła punktowe.

Przy bardzo dużych odległościach od źródła krzywiznę czoła można pominąć i czoło fali uznać za płaskie. W tym przypadku fala nazywana jest płaszczyzną.

8. Belka – prosta linia normalna do powierzchni fali. W fali sferycznej promienie są kierowane wzdłuż promieni kul od środka, gdzie znajduje się źródło fal (ryc. 90).

W fali płaskiej promienie są skierowane prostopadle do powierzchni przedniej (ryc. 91).

9. Okresowe fale. Mówiąc o falach, mieliśmy na myśli pojedyncze zaburzenie rozchodzące się w przestrzeni.

Jeżeli źródło fali wykonuje drgania ciągłe, to w ośrodku pojawiają się fale sprężyste przemieszczające się jedna po drugiej. Fale takie nazywane są okresowymi.

10. Fala harmoniczna– fala generowana przez oscylacje harmoniczne. Jeśli źródło fal wykonuje oscylacje harmoniczne, to generuje fale harmoniczne – fale, w których cząstki wibrują zgodnie z prawem harmonicznym.

11. Długość fali. Niech fala harmoniczna rozchodzi się wzdłuż osi OX, a oscylacje w niej zachodzą w kierunku osi OY. Fala ta jest poprzeczna i można ją przedstawić jako falę sinusoidalną (ryc. 92).

Falę taką można uzyskać poprzez wywołanie drgań w płaszczyźnie pionowej wolnego końca linki.

Długość fali to odległość pomiędzy dwoma najbliższymi punktami A i B, oscylujące w tych samych fazach (ryc. 92).

12. Prędkość propagacji fali– wielkość fizyczna liczbowo równa prędkości propagacji drgań w przestrzeni. Z ryc. 92 wynika, że czas, w którym oscylacja rozchodzi się od punktu do punktu A do momentu W, tj. na odległość długość fali jest równa okresowi oscylacji. Dlatego prędkość propagacji fali jest równa

13. Zależność prędkości propagacji fali od właściwości ośrodka. Częstotliwość oscylacji podczas występowania fali zależy wyłącznie od właściwości źródła fali i nie zależy od właściwości ośrodka. Szybkość rozchodzenia się fali zależy od właściwości ośrodka. Dlatego długość fali zmienia się podczas przekraczania granicy między dwoma różnymi ośrodkami. Prędkość fali zależy od połączenia między atomami i cząsteczkami ośrodka. Wiązanie między atomami i cząsteczkami w cieczach i ciałach stałych jest znacznie mocniejsze niż w gazach. Dlatego prędkość fal dźwiękowych w cieczach i ciałach stałych jest znacznie większa niż w gazach. W powietrzu prędkość dźwięku w normalnych warunkach wynosi 340, w wodzie 1500, a w stali 6000.

Wraz ze spadkiem temperatury maleje średnia prędkość ruchu termicznego cząsteczek w gazach, a co za tym idzie, maleje prędkość rozchodzenia się fali w gazach. W gęstszym, a zatem bardziej obojętnym ośrodku, prędkość fali jest mniejsza. Jeśli dźwięk rozchodzi się w powietrzu, jego prędkość zależy od gęstości powietrza. Tam, gdzie gęstość powietrza jest większa, prędkość dźwięku jest mniejsza. I odwrotnie, gdzie gęstość powietrza jest mniejsza, prędkość dźwięku jest większa. W rezultacie, gdy dźwięk się rozchodzi, czoło fali ulega zniekształceniu. Nad bagnami lub nad jeziorem, zwłaszcza wieczorem, gęstość powietrza przy powierzchni z powodu pary wodnej jest większa niż na określonej wysokości. Dlatego prędkość dźwięku w pobliżu powierzchni wody jest mniejsza niż na określonej wysokości. W efekcie czoło fali skręca się w taki sposób, że górna część frontu zagina się coraz bardziej w kierunku powierzchni jeziora. Okazuje się, że energia fali przemieszczającej się po powierzchni jeziora i energia fali poruszającej się pod kątem do powierzchni jeziora sumują się. Dlatego wieczorem dźwięk dobrze rozchodzi się po jeziorze. Stojąc na przeciwległym brzegu, słychać nawet cichą rozmowę.

14. Zasada Huygensa– każdy punkt powierzchni, do którego w danym momencie dotarła fala, jest źródłem fal wtórnych. Rysując powierzchnię styczną do czoła wszystkich fal wtórnych, otrzymujemy czoło fali w następnym momencie.

Rozważmy na przykład falę rozchodzącą się po powierzchni wody z punktu O(Ryc. 93) Niech w momencie czasu T przód miał kształt koła o promieniu R wyśrodkowany w jednym punkcie O. W następnym momencie każda fala wtórna będzie miała czoło w kształcie koła o promieniu gdzie V– prędkość rozchodzenia się fali. Rysując powierzchnię styczną do frontów fal wtórnych, otrzymujemy czoło fali w danym momencie (ryc. 93)

Jeśli fala rozchodzi się w ośrodku ciągłym, wówczas czoło fali jest kulą.

15. Odbicie i załamanie fal. Kiedy fala pada na granicę dwóch różnych ośrodków, każdy punkt tej powierzchni, zgodnie z zasadą Huygensa, staje się źródłem fal wtórnych rozchodzących się po obu stronach powierzchni. Dlatego podczas przechodzenia przez granicę między dwoma ośrodkami fala jest częściowo odbijana, a częściowo przechodzi przez tę powierzchnię. Ponieważ Ponieważ media są różne, prędkość fal w nich jest inna. Dlatego podczas przekraczania granicy między dwoma ośrodkami zmienia się kierunek propagacji fali, tj. następuje załamanie fali. Rozważmy na podstawie zasady Huygensa proces i prawa odbicia i załamania.

16. Prawo odbicia fali. Niech fala płaska spadnie na płaską powierzchnię styku dwóch różnych mediów. Wybierzmy obszar pomiędzy dwoma promieniami i (ryc. 94)

Kąt padania - kąt pomiędzy wiązką padającą a prostopadłą do granicy faz w punkcie padania.

Kąt odbicia to kąt pomiędzy promieniem odbitym a prostopadłą do granicy faz w punkcie padania.

W momencie, gdy wiązka dotrze do granicy faz w punkcie , punkt ten stanie się źródłem fal wtórnych. Czoło fali w tym momencie jest zaznaczone odcinkiem linii prostej AC(ryc. 94). W rezultacie w tym momencie wiązka musi jeszcze przebyć drogę do interfejsu NE. Niech promień podróżuje tą drogą w czasie. Promienie padające i odbite rozchodzą się po jednej stronie granicy faz, zatem ich prędkości są takie same i równe V. Następnie .

W tym czasie fala wtórna od punktu A pójdzie swoją drogą. Stąd . Trójkąty prostokątne są równe, ponieważ... - wspólna przeciwprostokątna i nogi. Z równości trójkątów wynika równość kątów. Ale także, tj. .

Sformułujmy teraz prawo odbicia fali: wiązka padająca, wiązka odbita , prostopadle do granicy dwóch ośrodków, przywróconych w punkcie padania, leżą w tej samej płaszczyźnie; kąt padania jest równy kątowi odbicia.

17. Prawo załamania fali. Niech fala płaska przejdzie przez płaską granicę między dwoma ośrodkami. Ponadto kąt padania jest różny od zera (ryc. 95).

Kąt załamania to kąt pomiędzy załamanym promieniem a prostopadłą do granicy faz, przywrócony w punkcie padania.

Oznaczmy także prędkość propagacji fal w ośrodkach 1 i 2. W momencie, gdy wiązka dotrze do granicy faz w punkcie A, punkt ten stanie się źródłem fal rozchodzących się w drugim ośrodku - promieniem, a promień musi jeszcze przebyć drogę do powierzchni powierzchni. Niech będzie czasem podróży promienia NE, Następnie . W tym samym czasie w drugim ośrodku promień przebędzie drogę . Ponieważ , następnie i .

Trójkąty i prostokąty ze wspólną przeciwprostokątną i = są jak kąty o wzajemnie prostopadłych bokach. Dla kątów i piszemy następujące równości

Biorąc to pod uwagę, otrzymujemy

Sformułujmy teraz prawo załamania fali: Promień padający, promień załamany i prostopadła do granicy między obydwoma ośrodkami, przywrócona w punkcie padania, leżą w tej samej płaszczyźnie; stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla dwóch danych ośrodków i nazywany jest względnym współczynnikiem załamania światła dla dwóch danych ośrodków.

18. Równanie fali płaskiej. Cząsteczki ośrodka znajdujące się w pewnej odległości S od źródła fal zaczynają oscylować dopiero wtedy, gdy fala do nich dotrze. Jeśli V jest prędkością rozchodzenia się fali, wówczas oscylacje rozpoczną się z opóźnieniem czasowym

Jeśli źródło fal oscyluje zgodnie z prawem harmonicznym, to dla cząstki znajdującej się w pewnej odległości S ze źródła zapisujemy prawo oscylacji w formie

Wprowadźmy wielkość zwaną liczbą falową. Pokazuje, ile długości fali mieści się w odległości równej jednostkom długości. Teraz prawo oscylacji cząstki ośrodka znajdującego się w pewnej odległości S ze źródła napiszemy w formularzu

Równanie to określa przemieszczenie punktu drgającego w funkcji czasu i odległości od źródła fali i nazywa się równaniem fali płaskiej.

19. Energia i intensywność fal. Każda cząstka, do której dociera fala, wibruje, a zatem ma energię. Niech fala o amplitudzie rozchodzi się w pewnej objętości ośrodka sprężystego A i częstotliwość cykliczna. Oznacza to, że średnia energia drgań w tej objętości jest równa

Gdzie M - masa przydzielonej objętości ośrodka.

Średnia gęstość energii (średnia w stosunku do objętości) to energia fal na jednostkę objętości ośrodka

Gdzie jest gęstość ośrodka.

Intensywność fal– wielkość fizyczna liczbowo równa energii, jaką fala przenosi w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię płaszczyzny prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali (przez jednostkową powierzchnię czoła fali), tj.

Średnia moc fali to średnia całkowita energia przenoszona przez falę w jednostce czasu przez powierzchnię o powierzchni S. Średnią moc fali uzyskujemy mnożąc natężenie fali przez powierzchnię S

20.Zasada superpozycji (nakładki). Jeżeli fale z dwóch lub więcej źródeł rozchodzą się w ośrodku sprężystym, to jak pokazują obserwacje, fale przechodzą przez siebie, w ogóle na siebie nie wpływając. Innymi słowy, fale nie oddziałują ze sobą. Wyjaśnia to fakt, że w granicach odkształcenia sprężystego ściskanie i rozciąganie w jednym kierunku w żaden sposób nie wpływają na właściwości sprężyste w innych kierunkach.

Zatem każdy punkt ośrodka, do którego docierają dwie lub więcej fal, bierze udział w oscylacjach powodowanych przez każdą falę. W tym przypadku powstałe przemieszczenie cząstki ośrodka w dowolnym momencie jest równe sumie geometrycznej przemieszczeń wywołanych każdym z powstałych procesów oscylacyjnych. Na tym polega istota zasady superpozycji lub superpozycji wibracji.

Wynik dodania oscylacji zależy od amplitudy, częstotliwości i różnicy faz powstałych procesów oscylacyjnych.

21. Spójne oscylacje – oscylacje o tej samej częstotliwości i stałej różnicy faz w czasie.

22.Spójne fale– fale o tej samej częstotliwości lub tej samej długości fali, których różnica faz w danym punkcie przestrzeni pozostaje stała w czasie.

23.Interferencja fal– zjawisko wzrostu lub spadku amplitudy powstałej fali w przypadku nałożenia na siebie dwóch lub więcej spójnych fal.

A) . Warunki maksymalnego zakłócenia. Niech fale z dwóch spójnych źródeł spotkają się w jednym punkcie A(ryc. 96).

Przemieszczenia cząstek średnich w punkcie A, powodowaną przez każdą falę z osobna, zapiszemy zgodnie z równaniem falowym w postaci

Gdzie i , to amplitudy i fazy oscylacji wywołanych przez fale w punkcie A, i są odległościami punktu, jest różnicą między tymi odległościami lub różnicą w ścieżkach fal.

Ze względu na różnicę w przebiegu fal druga fala jest opóźniona w stosunku do pierwszej. Oznacza to, że faza oscylacji pierwszej fali wyprzedza fazę oscylacji drugiej fali, tj. . Ich różnica faz pozostaje stała w czasie.

Aby przejść do rzeczy A cząstki oscylują z maksymalną amplitudą, grzbiety obu fal lub ich doliny muszą osiągnąć punkt A jednocześnie w tych samych fazach lub z różnicą faz równą , gdzie N - liczba całkowita, oraz - jest okresem funkcji sinus i cosinus,

Tutaj zatem zapisujemy w postaci warunek maksimum interferencji

Gdzie jest liczbą całkowitą.

Tak więc, gdy nakładają się fale spójne, amplituda powstałych oscylacji jest maksymalna, jeśli różnica w ścieżkach fal jest równa całkowitej liczbie długości fal.

B) Warunek minimalnej interferencji. Amplituda powstałych oscylacji w punkcie A jest minimalne, jeśli grzbiet i dolina dwóch spójnych fal jednocześnie docierają do tego punktu. Oznacza to, że do tego punktu dotrze sto fal w przeciwfazie, tj. ich różnica faz jest równa lub , gdzie jest liczbą całkowitą.

Warunek minimum interferencji uzyskujemy dokonując przekształceń algebraicznych:

Zatem amplituda oscylacji przy nałożeniu na siebie dwóch spójnych fal jest minimalna, jeśli różnica dróg fal jest równa nieparzystej liczbie półfal.

24. Interferencja i prawo zachowania energii. Kiedy fale interferują w miejscach minimów interferencji, energia powstałych oscylacji jest mniejsza niż energia fal zakłócających. Natomiast w miejscach maksimów interferencji energia powstałych oscylacji przekracza sumę energii fal zakłócających w takim stopniu, w jakim energia w miejscach minimów interferencji uległa zmniejszeniu.

Kiedy fale interferują, energia oscylacji jest redystrybuowana w przestrzeni, ale ściśle przestrzegane jest prawo zachowania.

25.Dyfrakcja fal– zjawisko zaginania się fali wokół przeszkody, tj. odchylenie od prostoliniowej propagacji fali.

Dyfrakcja jest szczególnie zauważalna, gdy rozmiar przeszkody jest mniejszy niż długość fali lub porównywalny z nią. Niech na drodze propagacji fali płaskiej będzie ekran z dziurą, którego średnica jest porównywalna z długością fali (ryc. 97).

Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt dziury staje się źródłem tych samych fal. Rozmiar dziury jest na tyle mały, że wszystkie źródła fal wtórnych znajdują się na tyle blisko siebie, że można je wszystkie uznać za jeden punkt – jedno źródło fal wtórnych.

Jeśli na drodze fali zostanie umieszczona przeszkoda, której wielkość jest porównywalna z długością fali, wówczas krawędzie, zgodnie z zasadą Huygensa, stają się źródłem fal wtórnych. Jednak wielkość przeszkody jest na tyle mała, że jej krawędzie można uznać za pokrywające się, tj. sama przeszkoda jest punktowym źródłem fal wtórnych (ryc. 97).

Zjawisko dyfrakcji można łatwo zaobserwować, gdy fale rozchodzą się po powierzchni wody. Kiedy fala dociera do cienkiego, nieruchomego pręta, staje się źródłem fal (ryc. 99).

25. Zasada Huygensa-Fresnela. Jeżeli wymiary otworu znacznie przekraczają długość fali, wówczas fala przechodząc przez otwór rozchodzi się prostoliniowo (ryc. 100).

Jeżeli wielkość przeszkody znacznie przekracza długość fali, za przeszkodą tworzy się strefa cienia (ryc. 101). Eksperymenty te zaprzeczają zasadzie Huygensa. Francuski fizyk Fresnel uzupełnił zasadę Huygensa o ideę spójności fal wtórnych. Każdy punkt, w którym dociera fala, staje się źródłem tych samych fal, tj. wtórne fale spójne. Dlatego fal nie ma tylko tam, gdzie dla fal wtórnych spełnione są warunki minimum interferencyjnego.

26. Fala spolaryzowana– fala poprzeczna, w której wszystkie cząstki oscylują w tej samej płaszczyźnie. Jeśli wolny koniec żyłki drga w jednej płaszczyźnie, wówczas wzdłuż żyłki rozchodzi się fala spolaryzowana płasko. Jeżeli wolny koniec linki drga w różnych kierunkach, wówczas fala rozchodząca się wzdłuż linki nie jest spolaryzowana. Jeżeli na drodze fali niespolaryzowanej zostanie umieszczona przeszkoda w postaci wąskiej szczeliny, to po przejściu przez szczelinę fala ulega polaryzacji, gdyż szczelina umożliwia przechodzenie wzdłuż niej wibracji linki.

Jeśli na drodze fali spolaryzowanej równoległej do pierwszej umieścimy drugą szczelinę, wówczas fala będzie przez nią swobodnie przechodzić (ryc. 102).

Jeśli druga szczelina zostanie umieszczona pod kątem prostym do pierwszej, wówczas rozprzestrzenianie się wołu ustanie. Urządzenie selekcjonujące drgania występujące w jednej konkretnej płaszczyźnie nazywa się polaryzatorem (pierwszą szczeliną). Urządzenie określające płaszczyznę polaryzacji nazywa się analizatorem.

27.Dźwięk - Jest to proces propagacji kompresji i rozrzedzenia w ośrodku elastycznym, na przykład w gazie, cieczy lub metalach. Propagacja kompresji i rozrzedzenia następuje w wyniku zderzenia cząsteczek.

28. Głośność dźwięku Jest to siła fali dźwiękowej działającej na błonę bębenkową ludzkiego ucha, spowodowana ciśnieniem akustycznym.

Ciśnienie akustyczne – Jest to dodatkowe ciśnienie występujące w gazie lub cieczy podczas rozchodzenia się fali dźwiękowej. Ciśnienie akustyczne zależy od amplitudy drgań źródła dźwięku. Jeśli lekkim uderzeniem wytworzymy dźwięk kamertonu, uzyskamy tę samą głośność. Jeśli jednak kamerton zostanie uderzony mocniej, amplituda jego drgań wzrośnie i dźwięk będzie głośniejszy. Zatem głośność dźwięku zależy od amplitudy drgań źródła dźwięku, tj. amplituda wahań ciśnienia akustycznego.

29. Wysokość dźwięku określana przez częstotliwość oscylacji. Im wyższa częstotliwość dźwięku, tym wyższy ton.

Wibracje dźwięku występujące zgodnie z prawem harmonicznym odbierane są jako ton muzyczny. Zwykle dźwięk jest dźwiękiem złożonym, będącym zbiorem wibracji o podobnych częstotliwościach.

Tonem podstawowym dźwięku złożonego jest ton odpowiadający najniższej częstotliwości w zbiorze częstotliwości danego dźwięku. Tony odpowiadające innym częstotliwościom złożonego dźwięku nazywane są alikwotami.

30. Barwa dźwięku. Dźwięki o tym samym tonie podstawowym różnią się barwą, która jest określona przez zestaw alikwotów.

Każda osoba ma swoją niepowtarzalną barwę głosu. Dlatego zawsze możemy odróżnić głos jednej osoby od głosu innej osoby, nawet jeśli ich podstawowe tony są takie same.

31.Ultradźwięk. Ucho ludzkie odbiera dźwięki o częstotliwości od 20 Hz do 20 000 Hz.

Dźwięki o częstotliwości powyżej 20 000 Hz nazywane są ultradźwiękami. Ultradźwięki przemieszczają się w postaci wąskich wiązek i są wykorzystywane w sonarze i wykrywaniu wad. Ultradźwięki można wykorzystać do określenia głębokości dna morskiego i wykrycia defektów w różnych jego częściach.

Przykładowo, jeżeli szyna nie posiada pęknięć, wówczas ultradźwięki emitowane z jednego końca szyny, odbite od jej drugiego końca, dadzą tylko jedno echo. Jeśli występują pęknięcia, ultradźwięki zostaną odbite od pęknięć, a instrumenty zarejestrują kilka ech. Ultradźwięki służą do wykrywania łodzi podwodnych i ławic ryb. Nietoperz porusza się w przestrzeni kosmicznej za pomocą ultradźwięków.

32. Infradźwięki– dźwięk o częstotliwości poniżej 20 Hz. Dźwięki te są odbierane przez niektóre zwierzęta. Ich źródłem są często drgania skorupy ziemskiej podczas trzęsień ziemi.

33. efekt Dopplera jest zależnością częstotliwości postrzeganej fali od ruchu źródła lub odbiornika fal.

Niech łódź spoczywa na powierzchni jeziora, a fale uderzają o jej burtę z określoną częstotliwością. Jeżeli łódź zacznie poruszać się w kierunku przeciwnym do kierunku rozchodzenia się fali, wówczas częstotliwość fal uderzających w burtę łodzi wzrośnie. Co więcej, im większa prędkość łodzi, tym większa częstotliwość fal uderzających w burtę. I odwrotnie, gdy łódź porusza się w kierunku rozchodzenia się fali, częstotliwość uderzeń będzie mniejsza. Rozumowania te można łatwo zrozumieć z rys. 103.

Im większa prędkość nadjeżdżającego pojazdu, tym mniej czasu potrzeba na pokonanie dystansu pomiędzy dwoma najbliższymi grzbietami, tj. im krótszy okres fali i większa częstotliwość fali w stosunku do łodzi.

Jeżeli obserwator jest nieruchomy, ale źródło fal się porusza, wówczas częstotliwość fali odbieranej przez obserwatora zależy od ruchu źródła.

Niech czapla przejdzie przez płytkie jezioro w stronę obserwatora. Za każdym razem, gdy wkłada nogę do wody, z tego miejsca fale rozchodzą się w kółko. I za każdym razem zmniejsza się odległość między pierwszą a ostatnią falą, tj. Większa liczba grzbietów i zagłębień układana jest w mniejszej odległości. Dlatego dla nieruchomego obserwatora w kierunku, w którym podąża czapla, częstotliwość wzrasta. I odwrotnie, dla nieruchomego obserwatora znajdującego się w diametralnie przeciwległym punkcie w większej odległości, występuje taka sama liczba grzbietów i dolin. Dlatego dla tego obserwatora częstotliwość maleje (ryc. 104).