Сіз суға тас лақтыру арқылы механикалық толқындардың қандай екенін елестете аласыз. Оның үстінде пайда болатын және кезектесіп жатқан ойықтар мен жоталар болып табылатын шеңберлер механикалық толқындардың мысалы болып табылады. Олардың мәні неде? Механикалық толқындар серпімді ортадағы дірілдің таралу процесі болып табылады.
Сұйық беттердегі толқындар
Мұндай механикалық толқындар сұйық бөлшектеріне молекулааралық күштер мен ауырлық күшінің әсерінен болады. Адамдар бұл құбылысты ұзақ уақыт бойы зерттеп келеді. Ең көрнектілері – мұхит пен теңіз толқындары. Желдің жылдамдығы артқан сайын олар өзгеріп, биіктігі артады. Толқындардың пішіні де күрделене түседі. Мұхитта олар қорқынышты пропорцияларға жетуі мүмкін. Күштің ең айқын мысалдарының бірі - жолындағының бәрін жойып жіберетін цунами.
Теңіз және мұхит толқындарының энергиясы
Жағаға жеткенде тереңдіктің күрт өзгеруімен теңіз толқындары күшейеді. Олар кейде бірнеше метр биіктікке жетеді. Мұндай сәттерде судың үлкен массасының кинетикалық энергиясы оның әсерінен тез жойылатын жағалаудағы кедергілерге ауысады. Серфингтің күші кейде үлкен мәндерге жетеді.
Эластикалық толқындар
Механикада сұйық бетіндегі тербелістерді ғана емес, серпімді толқындар деп аталатындарды да зерттейді. Бұл әр түрлі ортада олардағы серпімділік күштерінің әсерінен таралатын ауытқулар. Мұндай күйзеліс – берілген орта бөлшектерінің тепе-теңдік күйінен кез келген ауытқуы. Серпімді толқындардың жақсы мысалы - бір ұшында бір нәрсеге бекітілген ұзын арқан немесе резеңке түтік. Егер сіз оны мықтап тартып, содан кейін оның екінші (бекітілмеген) ұшында бүйірлік өткір қозғалыспен кедергі жасасаңыз, оның арқанның бүкіл ұзындығы бойымен тірекке қалай «жүгіретінін» және кері шағылысқанын көре аласыз.
Механикалық толқындар көзі
Бастапқы бұзылу ортада толқынның пайда болуына әкеледі. Ол физикада толқынның көзі деп аталатын қандай да бір бөгде дененің әрекетінен туындайды. Бұл арқанды сермеп тұрған адамның қолы немесе суға лақтырылған тас болуы мүмкін. Көздің әрекеті қысқа болған жағдайда ортада жиі жалғыз толқын пайда болады. «Мазалаушы» ұзақ тербелмелі қозғалыстар жасағанда, толқындар бірінен соң бірі пайда бола бастайды.
Механикалық толқындардың пайда болу шарттары
Бұл тербеліс әрқашан қалыптаса бермейді. Олардың пайда болуының қажетті шарты оған кедергі келтіретін күштердің ортасының, атап айтқанда, серпімділіктің бұзылу сәтінде пайда болуы болып табылады. Олар бір-бірінен алыстаған кезде көрші бөлшектерді бір-біріне жақындатады, ал бір-біріне жақындағанда оларды бір-бірінен итереді. Алыстан әсер ететін серпімді күштербөлшектердің бұзылу көзі, оларды теңгерімнен шығара бастайды. Уақыт өте келе ортаның барлық бөлшектері бір тербелмелі қозғалысқа қатысады. Мұндай тербелістердің таралуы толқын болып табылады.
Эластикалық ортадағы механикалық толқындар
Эластикалық толқында бір уақытта қозғалыстың 2 түрі бар: бөлшектердің тербелісі және бұзылудың таралуы. Бойлық толқын - бөлшектері таралу бағыты бойынша тербелетін механикалық толқын. Көлденең толқын - орта бөлшектері таралу бағыты бойынша тербелетін толқын.
Механикалық толқындардың қасиеттері
Бойлық толқындағы бұзылулар сиректеу және сығылу, ал көлденең толқында ортаның кейбір қабаттарының басқаларға қатысты ығысуы (орын ауыстыруы) болып табылады. Қысу деформациясы серпімді күштердің пайда болуымен бірге жүреді. Бұл жағдайда ығысу деформациясы тек қатты денелерде серпімді күштердің пайда болуымен байланысты. Газ және сұйық орталарда бұл орталардың қабаттарының жылжуы аталған күштің пайда болуымен қатар жүрмейді. Қасиеттерінің арқасында бойлық толқындар кез келген ортада тарала алады, ал көлденең толқындар тек қатты денелерде тарай алады.
Сұйықтар бетіндегі толқындардың ерекшеліктері
Сұйық бетіндегі толқындар бойлық та, көлденең де емес. Олардың бойлық-көлденең деп аталатын күрделі сипаты бар. Бұл жағдайда сұйық бөлшектер шеңбер бойымен немесе ұзартылған эллипстер бойымен қозғалады. Бөлшектердің сұйық бетіндегі айналмалы қозғалысы, әсіресе үлкен тербелістер кезінде олардың баяу, бірақ үздіксіз болуымен бірге жүреді.толқынның таралу бағытында қозғалады. Судағы механикалық толқындардың дәл осы қасиеттері жағалауда әртүрлі теңіз өнімдерінің пайда болуына себеп болады.
Механикалық толқын жиілігі
Егер серпімді ортада (сұйық, қатты, газ тәріздес) оның бөлшектерінің дірілі қоздырылса, онда олардың арасындағы әсерлесу салдарынан ол u жылдамдықпен таралады. Сонымен, тербелмелі дене газ немесе сұйық ортада болса, онда оның қозғалысы оған жақын орналасқан барлық бөлшектерге беріле бастайды. Олар келесілерді процеске тартады және т.б. Бұл жағдайда ортаның абсолютті барлық нүктелері тербелмелі дененің жиілігіне тең, бірдей жиілікте тербеле бастайды. Бұл толқынның жиілігі. Басқаша айтқанда, бұл мәнді толқын таралатын ортадағы нүктелердің тербеліс жиілігі ретінде сипаттауға болады.
Бұл процестің қалай болатыны бірден белгісіз болуы мүмкін. Механикалық толқындар тербелмелі қозғалыс энергиясын оның көзінен ортаның шеткі бөлігіне берумен байланысты. Нәтижесінде толқын бір нүктеден екінші нүктеге апаратын мерзімді деформациялар деп аталады. Бұл жағдайда орта бөлшектерінің өзі толқынмен бірге қозғалмайды. Олар тепе-теңдік күйіне жақын тербеледі. Сондықтан механикалық толқынның таралуы материяның бір жерден екінші орынға ауысуымен қатар жүрмейді. Механикалық толқындардың жиілігі әртүрлі. Сондықтан олар диапазондарға бөлініп, арнайы шкала құрылды. Жиілік герцпен (Гц) өлшенеді.
Негізгі формулалар
Есептеу формулалары өте қарапайым механикалық толқындар зерттеуге қызықты объект болып табылады. Толқын жылдамдығы (υ) оның алдыңғы қозғалысының жылдамдығы (қазіргі уақытта ортаның тербелісі жеткен барлық нүктелердің локусы):
υ=√G/ ρ, мұндағы ρ – ортаның тығыздығы, G – серпімділік модулі.
Есептеу кезінде ортадағы механикалық толқынның жылдамдығын толқындық процеске қатысатын орта бөлшектерінің қозғалыс жылдамдығымен шатастырмаңыз. Мысалы, ауадағы дыбыс толқыны оның молекулаларының орташа тербеліс жылдамдығымен 10 м/с тарайды, ал қалыпты жағдайда дыбыс толқынының жылдамдығы 330 м/с.
Толқындық фронт көптеген формаларда болады, олардың ең қарапайымы:
• Сфералық - газ немесе сұйық ортадағы ауытқулардан туындайды. Бұл жағдайда толқын амплитудасы көзден қашықтыққа қарай қашықтықтың квадратына кері пропорционалды түрде азаяды.
• Жазық - толқынның таралу бағытына перпендикуляр болатын жазықтық. Ол, мысалы, жабық поршеньді цилиндрде тербелгенде пайда болады. Жазық толқын дерлік тұрақты амплитудамен сипатталады. Оның бұзылу көзінен қашықтығымен шамалы төмендеуі газ немесе сұйық ортаның тұтқырлық дәрежесімен байланысты.
Толқын ұзындығы
Толқын ұзындығының астында оның алдыңғы бөлігі сол уақытта қозғалатын қашықтық түсініледі.орта бөлшектерінің тербеліс периодына тең:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, мұндағы T – тербеліс периоды, υ – толқын жылдамдығы, ω – циклдік жиілік, ν – орта нүктелерінің тербеліс жиілігі.
Механикалық толқынның таралу жылдамдығы толығымен ортаның қасиеттеріне тәуелді болғандықтан, оның ұзындығы λ бір ортадан екіншісіне өту кезінде өзгереді. Бұл жағдайда тербеліс жиілігі ν әрқашан өзгеріссіз қалады. Механикалық және электромагниттік толқындар бір-біріне ұқсас, олар тараған кезде энергия тасымалданады, бірақ ешқандай зат тасымалданбайды.
