▷ Механическая волна: характеристики, формула, виды и примеры

В этой статье объясняется, что такое механические волны в физике и каковы их характеристики. Итак, вы найдете определение механической волны, примеры механических волн, каково уравнение механической волны, а также, каковы различные типы механических волн.

Что такое механическая волна?

Механическая волна — это тип волны, которая распространяется через материальную среду, то есть механические волны — это волны, которые распространяются через материальную среду.

Таким образом, механические волны вызывают временное возмущение среды, в которой они распространяются, без ее переноса.

Например, звуковая волна — это механическая волна. Звуковые волны распространяются по воздуху. Следовательно, когда они колеблются в материальной среде, это механическая волна.

Одной из основных характеристик механических волн является то, что они переносят энергию. Действительно, энергия, переносимая механической волной, может быть катастрофической, как и в случае с сейсмическими волнами.

В физике механические волны также называются материальными волнами , поскольку для распространения им необходима материальная среда.

Примеры механических волн

Увидев определение механической волны, мы теперь увидим несколько примеров волн этого типа, чтобы полностью понять эту концепцию.

Примеры механических волн:

Звуковые волны – это механические волны.
Сейсмическая волна также является механической волной.
Поверхностные волны, возникающие на поверхности воды при ударе предмета, являются механическими.
Волны, распространяющиеся через пружину, являются механическими волнами.

Характеристики механической волны

Механические волны имеют следующие характеристики или части:

Удлинение (y) : расстояние между положением волны и положением ее равновесия.
Амплитуда (А) : расстояние между максимальным выпрямлением и вашим положением равновесия.
Гребень : каждая из самых высоких точек волны.
Долина : каждая из самых низких точек волны.
Цикл или колебание : это путь волны от одной точки к следующей эквивалентной точке.
Длина волны (λ) : расстояние, которое разделяет две последовательные эквивалентные точки волны.
Период (T) : время, необходимое для завершения полного колебания.
Частота (f) : количество колебаний или вибраций, которые волна совершает в единицу времени.

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

Угловая частота (или пульсация) (ω) : это скорость, с которой волна совершает колебания.

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

Скорость распространения (v) : скорость, с которой распространяется волна.

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

характеристики механической волны, части механической волны

Формула механической волны

Математическая функция, позволяющая описать движение механической волны, всегда следующая:

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

Золото:

$y$

является удлинением волны.
$x$

– расстояние от исследуемой точки до начала волны.
$v$

– скорость распространения волны.
$t$

это момент времени.

Знак перед скоростью распространения указывает, движется ли механическая волна вправо (отрицательный знак) или влево (положительный знак).

Если механическая волна является гармонической волной , уравнение механической волны имеет вид y(x,t) = A·sin(k·x ± ω·t + φ ₀ ). Эта формула используется для расчета удлинения точки механической волны в определенном положении и в определенное время.

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

Золото:

$y$

является удлинением волны.
$A$

– амплитуда механической волны.
$x$

– расстояние от исследуемой точки до начала волны.
$k$

– волновое число, которое рассчитывается по следующему выражению:

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

– угловая частота или частота пульсации.
$t$

это момент времени.
$\phi_0$

является начальной фазой волны.

Виды механических волн

Типы механических волн:

Продольная волна : тип механической волны, которая колеблется в том же направлении, что и распространение волны.
Поперечная волна : тип механической волны, которая колеблется перпендикулярно направлению распространения волны.

Продольная волна

Продольная волна — механическая волна, в которой колебательное движение частиц среды происходит в том же направлении, что и распространение волны. То есть кончики продольной волны колеблются в продольном направлении.

Например, звуковые волны являются продольными волнами, так как в этом типе волн движение их кончиков параллельно распространению волны.

➤ См.: Характеристики продольной волны.

поперечная волна

Поперечная волна — это механическая волна, колебания которой перпендикулярны направлению распространения волны. То есть точки поперечной волны движутся поперек направления движения волны.

Например, струна, прикрепленная к одному концу и колеблющаяся, представляет собой поперечную волну. Если мы закрепим конец веревки, а другой ее конец переместим вертикально, возникнут вибрации, перпендикулярные направлению движения волны по веревке, следовательно, это поперечная волна.

➤ См.: Характеристики поперечной волны.

Скорость распространения механической волны

Скорость распространения — это скорость, с которой механическая волна распространяется в среде. В общем случае скорость механической волны рассчитывается по формуле, имеющей следующий вид:

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

Ниже вы можете увидеть формулу, используемую для расчета скорости распространения механической волны в некоторых частных случаях физики.

Скорость распространения поперечной волны по струне

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

Золото:

$T$

это натяжение струны.
$\mu$

— линейная плотность массы струны.

Скорость распространения продольной волны в твердом теле

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

Золото:

$E$

– модуль Юнга твердого тела.
$\rho$

– плотность твердого тела.

Скорость распространения продольной волны в газе (звуке)

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

Золото:

$\gamma$

– коэффициент адиабаты газа (в случае воздуха

$\gamma=1,4$

).
$T$

– температура газа, выраженная в Кельвинах.
$R$

– идеальный постоянный газ,

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

.
$M$

– молекулярная масса газа.