▷ 機械波動：特性、計算式、種類と例

この記事では、物理学における機械波とは何なのか、またその特徴は何なのかについて説明します。したがって、機械的波の定義、機械的波の例、機械的波の方程式とは何か、また、さまざまな種類の機械的波とは何かがわかります。

機械波とは何ですか?

機械波は、物質媒体を通過する波の一種です。つまり、機械波は物質媒体を通過する波です。

したがって、機械波は、伝達されることなく伝播する媒体に一時的な乱れを引き起こします。

たとえば、音波は機械的な波です。音波は空気中を伝わります。したがって、物質媒体を介して振動する場合、それは機械的な波です。

機械波の主な特徴の 1 つは、エネルギーを輸送することです。実際、機械波によって運ばれるエネルギーは、地震波の場合と同様、壊滅的な影響を与える可能性があります。

物理学では、機械波は伝播に物質媒体を必要とするため、物質波とも呼ばれます。

機械波の例

機械的な波の定義を理解した後、概念を完全に理解するためにこのタイプの波の例をいくつか見ていきます。

機械波の例:

音波は機械的な波です。
地震波も機械波です。
物体の衝撃によって水面に発生する表面波は機械的なものです。
バネの中を伝わる波は機械的な波です。

機械波の特徴

機械波には次のような特徴や部分があります。

伸び (y) : 波の位置とその平衡位置の間の距離です。
振幅 (A) : 最大伸展位置と平衡位置の間の距離です。
クレスト: 波の最高点のそれぞれ。
谷：波のそれぞれの最低点。
サイクルまたは振動: ある点から次の同等の点までの波の経路です。
波長 (λ) : 波の 2 つの連続する等価点を隔てる距離です。
期間 (T) : 完全な発振が完了するまでに必要な時間です。
周波数 (f) : 波が単位時間当たりに起こす振動または振動の数です。

$f=\cfrac{1}{T}$

角周波数 (または脈動) (ω) : これは、波が振動する速度です。

$\omega=\cfrac{2\cdot \pi}{T}=2\cdot \pi \cdot f$

伝播速度 (v) : 波が伝播する速度です。

$v=\cfrac{\lambda}{T}=\lambda\cdot f$

力学波の公式

機械的な波の動きを記述することを可能にする数学的関数は常に次のとおりです。

$y=f(x\pm v\cdot t)$

金：

$y$

波の伸びです。
$x$

は、調査対象の点から波の原点までの距離です。
$v$

波の伝播速度です。
$t$

という瞬間です。

伝播速度の前の符号は、機械波が右に移動しているか (負の符号)、左に移動しているか (正の符号) を示します。

機械波が調和波の場合、機械波の方程式は y(x,t) = A・sin(k・x ± ω・t + φ ₀ ) となります。この公式は、特定の位置および特定の時間における機械波上の点の伸びを計算するために使用されます。

$y(x,t)=A\cdot \text{sin}(k\cdot x\pm w\cdot t+\phi_0)$

金：

$y$

波の伸びです。
$A$

は機械波の振幅です。
$x$

は、調査対象の点から波の原点までの距離です。
$k$

は波数で、次の式で計算されます。

$k=\cfrac{2\cdot \pi}{\lambda}$
$\omega$

は角または脈動周波数です。
$t$

という瞬間です。
$\phi_0$

は波の初期位相です。

機械波の種類

機械波の種類は次のとおりです。

縦波: 波の伝播と同じ方向に振動する機械波の一種。
横波: 波の伝播方向に対して垂直に振動する機械波の一種。

縦波

縦波は、媒質中の粒子の振動運動が波の伝播と同じ方向に起こる機械的な波です。つまり、縦波の先端は縦方向に振動します。

たとえば、音波は縦波です。このタイプの波では、先端の動きが波の伝播と平行であるためです。

➤参照:縦波の特性

横波

横波は、振動が波の伝播方向に対して垂直である機械的な波です。つまり、横波の点は波の進行方向に対して横方向に移動します。

たとえば、振動する一端に取り付けられた弦は横波です。ロープの端を固定し、もう一方の端を垂直に動かすと、ロープ上の波の進行方向に対して垂直な振動が発生します。したがって、それは横波です。

➤参照:横波の特性

機械波の伝播速度

伝播速度は、機械波が媒質内を伝播する速度です。一般に、機械波の速度は、次の形式の式を使用して計算されます。

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\text{propriété élastique}}{\text{propriété inertielle}}}$

以下に、物理学の特殊な場合における機械波の伝播速度を計算するために使用される式を示します。

弦上の横波の伝播速度

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}$

金：

$T$

弦の張力です。
$\mu$

は文字列の線質量密度です。

固体中の縦波の伝播速度

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{E}{\rho}}$

金：

$E$

は固体のヤング率です。
$\rho$

固体の密度です。

気体（音）中の縦波の伝播速度

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\gamma \cdot R\cdot T}{M}}$

金：

$\gamma$

気体の断熱係数です（空気の場合）

$\gamma=1,4$

）。
$T$

ケルビンで表されるガス温度です。
$R$

は理想的な一定気体、

$\displaystyle R=8.31 \ \frac{J}{mol\cdot K}$

。
$M$

気体の分子量です。