Du kannst dir vorstellen, was mechanische Wellen sind, indem du einen Stein ins Wasser wirfst. Die Kreise, die darauf erscheinen und abwechselnd Mulden und Grate sind, sind ein Beispiel für mechanische Wellen. Was ist ihr Wesen? Mechanische Wellen sind der Vorgang der Schwingungsausbreitung in elastischen Medien.
Wellen auf flüssigen Oberflächen
Solche mechanischen Wellen entstehen durch den Einfluss zwischenmolekularer Kräfte und der Schwerkraft auf die Teilchen einer Flüssigkeit. Dieses Phänomen wird seit langem von Menschen untersucht. Am bemerkenswertesten sind das Meer und die Meereswellen. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit verändern sie sich und ihre Höhe nimmt zu. Auch die Form der Wellen selbst wird komplizierter. Im Ozean können sie erschreckende Ausmaße annehmen. Eines der deutlichsten Beispiele für Gew alt ist der Tsunami, der alles auf seinem Weg hinwegfegt.
Energie des Meeres und der Meereswellen
Bei Erreichen der Küste nehmen die Meereswellen mit einer starken Änderung der Tiefe zu. Sie erreichen teilweise eine Höhe von mehreren Metern. In solchen Momenten wird die kinetische Energie einer kolossalen Wassermasse auf Küstenhindernisse übertragen, die unter ihrem Einfluss schnell zerstört werden. Die Stärke der Brandung erreicht teilweise grandiose Werte.
Elastische Wellen
In der Mechanik werden nicht nur Schwingungen an der Oberfläche einer Flüssigkeit untersucht, sondern auch die sogenannten elastischen Wellen. Dies sind Störungen, die sich in verschiedenen Medien unter Einwirkung elastischer Kräfte in ihnen ausbreiten. Eine solche Störung ist jede Abweichung der Teilchen eines gegebenen Mediums von der Gleichgewichtslage. Ein gutes Beispiel für elastische Wellen ist ein langes Seil oder ein Gummischlauch, der an einem Ende an etwas befestigt ist. Wenn man es straff zieht und dann an seinem zweiten (losen) Ende mit einer seitlichen scharfen Bewegung eine Störung erzeugt, sieht man, wie es über die gesamte Länge des Seils bis zur Stütze „läuft“und zurückreflektiert wird.
Quelle mechanischer Wellen
Die anfängliche Störung führt zum Auftreten einer Welle im Medium. Es wird durch die Wirkung eines Fremdkörpers verursacht, der in der Physik als Quelle der Welle bezeichnet wird. Es kann die Hand einer Person sein, die ein Seil schwingt, oder ein Kieselstein, der ins Wasser geworfen wird. Wenn die Wirkung der Quelle kurzlebig ist, erscheint oft eine einzelne Welle im Medium. Wenn der „Störer“lange oszillierende Bewegungen ausführt, beginnen Wellen nacheinander zu erscheinen.
Bedingungen für das Auftreten mechanischer Wellen
Diese Schwingung entsteht nicht immer. Eine notwendige Bedingung für ihr Auftreten ist das Auftreten von Kräften, insbesondere Elastizität, im Moment der Störung des Mediums. Sie neigen dazu, benachbarte Teilchen näher zusammenzubringen, wenn sie sich voneinander entfernen, und sie voneinander wegzuschieben, wenn sie sich einander nähern. Elastische Kräfte, die auf entfernte wirkenQuelle der Störung des Partikels, beginnen, sie aus dem Gleichgewicht zu bringen. Im Laufe der Zeit sind alle Teilchen des Mediums an einer Schwingungsbewegung beteiligt. Die Ausbreitung solcher Schwingungen ist die Welle.
Mechanische Wellen in einem elastischen Medium
In einer elastischen Welle gibt es 2 Bewegungsarten gleichzeitig: Teilchenschwingungen und Störungsausbreitung. Eine Longitudinalwelle ist eine mechanische Welle, deren Teilchen entlang ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen. Eine Transversalwelle ist eine Welle, deren mittlere Teilchen quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen.
Eigenschaften mechanischer Wellen
Störungen in einer Longitudinalwelle sind Verdünnung und Kompression, und in einer Transversalwelle sind sie Verschiebungen (Verschiebungen) einiger Schichten des Mediums relativ zu anderen. Die Druckverformung wird von dem Auftreten elastischer Kräfte begleitet. In diesem Fall ist die Scherverformung ausschließlich in Festkörpern mit dem Auftreten elastischer Kräfte verbunden. In gasförmigen und flüssigen Medien ist die Verschiebung der Schichten dieser Medien nicht mit dem Auftreten der erwähnten Kraft verbunden. Aufgrund ihrer Eigenschaften können sich Longitudinalwellen in allen Medien ausbreiten, Transversalwellen dagegen nur in Festkörpern.
Eigenschaften von Wellen auf der Oberfläche von Flüssigkeiten
Wellen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit sind weder längs noch quer. Sie haben einen komplexeren, sogenannten Längs-Quer-Charakter. Dabei bewegen sich die Fluidpartikel auf einem Kreis oder entlang langgestreckter Ellipsen. Die kreisförmigen Bewegungen von Partikeln auf der Oberfläche einer Flüssigkeit, und insbesondere bei großen Schwingungen, werden von ihren langsamen, aber kontinuierlichen begleitetsich in Richtung der Wellenausbreitung bewegen. Es sind diese Eigenschaften mechanischer Wellen im Wasser, die das Erscheinen verschiedener Meeresfrüchte am Ufer verursachen.
Mechanische Wellenfrequenz
Wird in einem elastischen Medium (flüssig, fest, gasförmig) eine Schwingung seiner Teilchen angeregt, dann breitet es sich aufgrund der Wechselwirkung zwischen ihnen mit einer Geschwindigkeit u aus. Befindet sich also ein schwingender Körper in einem gasförmigen oder flüssigen Medium, beginnt sich seine Bewegung auf alle ihm benachbarten Teilchen zu übertragen. Sie werden die nächsten in den Prozess einbeziehen und so weiter. In diesem Fall beginnen absolut alle Punkte des Mediums mit der gleichen Frequenz zu schwingen, die gleich der Frequenz des schwingenden Körpers ist. Es ist die Frequenz der Welle. Mit anderen Worten, dieser Wert kann als Schwingungsfrequenz von Punkten im Medium charakterisiert werden, an denen sich die Welle ausbreitet.
Es ist möglicherweise nicht sofort klar, wie dieser Prozess abläuft. Mechanische Wellen sind mit der Energieübertragung der Schwingungsbewegung von ihrer Quelle zur Peripherie des Mediums verbunden. Dadurch entstehen sogenannte periodische Verformungen, die von der Welle von einem Punkt zum anderen getragen werden. In diesem Fall bewegen sich die Partikel des Mediums selbst nicht mit der Welle mit. Sie schwingen nahe ihrer Gleichgewichtslage. Deshalb geht die Ausbreitung einer mechanischen Welle nicht mit der Übertragung von Materie von einem Ort zum anderen einher. Mechanische Wellen haben unterschiedliche Frequenzen. Daher wurden sie in Bereiche unterteilt und eine spezielle Skala erstellt. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen.
Grundformeln
Mechanische Wellen, deren Berechnungsformeln recht einfach sind, sind ein interessantes Untersuchungsobjekt. Die Wellengeschwindigkeit (υ) ist die Geschwindigkeit ihrer Frontbewegung (der Ort aller Punkte, die die Schwingung des Mediums im Moment erreicht hat):
υ=√G/ ρ, wobei ρ die Dichte des Mediums ist, G der Elastizitätsmodul.
Verwechseln Sie beim Rechnen die Geschwindigkeit einer mechanischen Welle in einem Medium nicht mit der Bewegungsgeschwindigkeit von Teilchen des Mediums, die am Wellenprozess beteiligt sind. So breitet sich beispielsweise eine Schallwelle in Luft mit einer mittleren Schwingungsgeschwindigkeit ihrer Moleküle von 10 m/s aus, während die Geschwindigkeit einer Schallwelle unter normalen Bedingungen 330 m/s beträgt.
Wellenfront gibt es in vielen Formen, die einfachsten davon sind:
• Sphärisch - verursacht durch Schwankungen in einem gasförmigen oder flüssigen Medium. In diesem Fall nimmt die Amplitude der Welle mit der Entfernung von der Quelle umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ab.
• Flach - ist eine Ebene, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht. Sie tritt beispielsweise in einem geschlossenen Kolbenzylinder auf, wenn dieser schwingt. Eine ebene Welle ist durch eine nahezu konstante Amplitude gekennzeichnet. Ihre leichte Abnahme mit der Entfernung von der Störquelle hängt mit dem Viskositätsgrad des gasförmigen oder flüssigen Mediums zusammen.
Wellenlänge
Unter der Wellenlänge versteht man die Entfernung, über die sich ihre Front in der Zeit bewegen wirdgleich der Schwingungsdauer der Teilchen des Mediums:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, wobei T die Schwingungsperiode ist, υ die Wellengeschwindigkeit ist, ω die zyklische Frequenz ist, ν die Schwingungsfrequenz der mittleren Punkte ist.
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer mechanischen Welle vollständig von den Eigenschaften des Mediums abhängt, ändert sich ihre Länge λ beim Übergang von einem Medium zum anderen. Dabei bleibt die Schwingungsfrequenz ν immer gleich. Mechanische und elektromagnetische Wellen ähneln sich darin, dass bei ihrer Ausbreitung Energie übertragen wird, aber keine Materie übertragen wird.
