▷ Mechanische golf: kenmerken, formule, typen en voorbeelden

In dit artikel wordt uitgelegd wat mechanische golven in de natuurkunde zijn en wat hun kenmerken zijn. Je zult dus de definitie van een mechanische golf vinden, voorbeelden van mechanische golven, wat de vergelijking van een mechanische golf is en ook wat de verschillende soorten mechanische golven zijn.

Wat is een mechanische golf?

Een mechanische golf is een soort golf die door een materieel medium reist, dat wil zeggen dat mechanische golven de golven zijn die door een materieel medium reizen.

Mechanische golven veroorzaken dus een tijdelijke verstoring van het medium waarin ze zich voortplanten, zonder dat dit wordt getransporteerd.

Een geluidsgolf is bijvoorbeeld een mechanische golf. Geluidsgolven reizen door de lucht. Daarom is het, wanneer ze door een materieel medium oscilleren, een mechanische golf.

Een van de belangrijkste kenmerken van mechanische golven is dat ze energie transporteren. De energie die door een mechanische golf wordt meegevoerd, kan inderdaad catastrofaal zijn, zoals het geval is bij seismische golven.

In de natuurkunde worden mechanische golven ook wel materiële golven genoemd, omdat ze een materieel medium nodig hebben om zich voort te planten.

Voorbeelden van mechanische golven

Nadat we de definitie van een mechanische golf hebben gezien, zullen we nu verschillende voorbeelden van dit type golf zien om het concept volledig te begrijpen.

Voorbeelden van mechanische golven:

Geluidsgolven zijn mechanische golven.
Een seismische golf is ook een mechanische golf.
Oppervlaktegolven die op het wateroppervlak worden gegenereerd door de impact van een object zijn mechanisch.
De golven die zich door een veer voortplanten zijn mechanische golven.

Kenmerken van een mechanische golf

Mechanische golven hebben de volgende kenmerken of onderdelen:

Verlenging (y) : is de afstand tussen de positie van de golf en zijn evenwichtspositie.
Amplitude (A) : is de afstand tussen maximale extensie en uw evenwichtspositie.
Crest : elk van de hoogste punten van de golf.
Vallei : elk van de laagste punten van de golf.
Cyclus of oscillatie : het is het pad van de golf van het ene punt naar het volgende gelijkwaardige punt.
Golflengte (λ) : is de afstand die twee opeenvolgende equivalente punten van de golf scheidt.
Periode (T) : is de tijd die nodig is om een volledige oscillatie te voltooien.
Frequentie (f) : is het aantal oscillaties of trillingen dat de golf per tijdseenheid maakt.

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

Hoekfrequentie (of pulsatie) (ω) : dit is de snelheid waarmee de golf oscillaties uitvoert.

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

Voortplantingssnelheid (v) : is de snelheid waarmee de golf zich voortplant.

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

kenmerken van een mechanische golf, delen van een mechanische golf

Formule van een mechanische golf

De wiskundige functie die het mogelijk maakt de beweging van een mechanische golf te beschrijven is altijd de volgende:

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

Goud:

$y$

is de verlenging van de golf.
$x$

is de afstand vanaf het bestudeerde punt tot de oorsprong van de golf.
$v$

is de snelheid van de golfvoortplanting.
$t$

is het moment van de tijd.

Het teken vóór de voortplantingssnelheid geeft aan of de mechanische golf naar rechts (negatief teken) of naar links (positief teken) beweegt.

Als de mechanische golf een harmonische golf is, is de vergelijking van de mechanische golf y(x,t) = A·sin(k·x ± ω·t + φ ₀ ). Deze formule wordt gebruikt om de verlenging van een punt op de mechanische golf op een specifieke positie en op een specifiek tijdstip te berekenen.

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

Goud:

$y$

is de verlenging van de golf.
$A$

is de amplitude van de mechanische golf.
$x$

is de afstand vanaf het bestudeerde punt tot de oorsprong van de golf.
$k$

is het golfnummer, dat wordt berekend met de volgende uitdrukking:

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

is de hoek- of pulsatiefrequentie.
$t$

is het moment van de tijd.
$\phi_0$

is de beginfase van de golf.

Soorten mechanische golven

De soorten mechanische golven zijn:

Longitudinale golf : type mechanische golf die oscilleert in dezelfde richting waarin de golf zich voortplant.
Transversale golf : type mechanische golf die loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf oscilleert.

Lengtegolf

Een longitudinale golf is een mechanische golf waarbij de oscillerende beweging van deeltjes in het medium plaatsvindt in dezelfde voortplantingsrichting van de golf. Dat wil zeggen dat de toppen van een longitudinale golf longitudinaal oscilleren.

Geluidsgolven zijn bijvoorbeeld longitudinale golven, omdat bij dit soort golven de beweging van hun uiteinden parallel is aan de voortplanting van de golf.

➤ Zie: Kenmerken van een longitudinale golf

dwarse golf

Een transversale golf is een mechanische golf waarvan de oscillaties loodrecht staan op de voortplantingsrichting van de golf. Dat wil zeggen dat de punten van een transversale golf dwars op de voortbewegingsrichting van de golf bewegen.

Een touwtje dat aan één uiteinde is bevestigd en oscilleert, is bijvoorbeeld een transversale golf. Als we het uiteinde van een touw fixeren en het andere uiteinde verticaal bewegen, ontstaan er trillingen loodrecht op de voortbewegingsrichting van de golf op het touw, het is dus een transversale golf.

➤ Zie: Kenmerken van een transversale golf

Voortplantingssnelheid van een mechanische golf

De voortplantingssnelheid is de snelheid waarmee de mechanische golf zich in het medium voortplant. Over het algemeen wordt de snelheid van een mechanische golf berekend met behulp van een formule die de volgende vorm heeft:

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

Hieronder ziet u de formule die wordt gebruikt om de voortplantingssnelheid van een mechanische golf te berekenen in enkele speciale gevallen van de natuurkunde.

Voortplantingssnelheid van een transversale golf op een snaar

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

Goud:

$T$

is de spanning van de snaar.
$\mu$

is de lineaire massadichtheid van de snaar.

Voortplantingssnelheid van een longitudinale golf in een vaste stof

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

Goud:

$E$

is de Young-modulus van de vaste stof.
$\rho$

is de dichtheid van de vaste stof.

Voortplantingssnelheid van een longitudinale golf in een gas (geluid)

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

Goud:

$\gamma$

is de adiabatische coëfficiënt van het gas (in het geval van lucht

$\gamma=1,4$

).
$T$

is de gastemperatuur uitgedrukt in Kelvin.
$R$

is het ideale constante gas,

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

.
$M$

is de molecuulmassa van het gas.