LÄNGSVÅGOR: EGENSKAPER, SKILLNADER, EXEMPEL - FYSISK - 2025

De längsgående vågorna manifesteras i materialmedel i vilka partiklar svänger parallellt med riktningen som vågen rör sig. som kommer att ses i följande bilder. Detta är dess särdrag.

Ljudvågor, vissa vågor som uppträder under en jordbävning och de som produceras i en slinkig eller vår när den ges en liten impuls i samma riktning som dess axel, är goda exempel på denna vågklass.

Figur 1. Ljud är en längsgående våg som producerar successiva kompressioner och expansioner i luften. Källa: Wikimedia Commons. Pluke

Ljud produceras när ett föremål (som figurens inställningsgaffel, ett musikinstrument eller helt enkelt röstsnören) får vibrera i ett medium som kan överföra störningen genom vibrationerna i dess molekyler. Luft är ett lämpligt medium, men också vätskor och fasta ämnen.

Störningen ändrar upprepade gånger trycket och densiteten hos mediet. På detta sätt producerar vågen kompressioner och expansioner (rarefaction) i molekylerna i mediet, då energin rör sig med en viss hastighet v .

Dessa tryckförändringar uppfattas av örat genom vibrationer i trumhinnan, vilket nervnätverket ansvarar för att förvandlas till små elektriska strömmar. När det når hjärnan, tolkar det dem som ljud.

I en längsgående våg kallas mönstret som upprepas kontinuerligt en cykel, och dess varaktighet är vågens period. Det finns också amplituden, som är den maximala intensiteten och som mäts enligt storleken som tas som referens, när det gäller ljud kan det vara variationen i trycket i mediet.

En annan viktig parameter är våglängden: avståndet mellan två på varandra följande kompressioner eller utvidgningar, se figur 1. I det internationella systemet mäts våglängden i meter. Slutligen finns det dess hastighet (i meter / sekund för det internationella systemet), vilket indikerar hur snabbt energin sprider sig.

Hur visas längsgående vågor i havsvågor?

I en vattenlevande kropp produceras vågor av flera orsaker (tryckförändringar, vindar, gravitationsinteraktioner med andra stjärnor). På detta sätt kan marina vågor klassificeras i:

- Vindvågor

- Tidvatten

- Tsunamis

Beskrivningen av dessa vågor är ganska komplex. I allmänna linjer rör sig vågorna i djupa vatten i längdriktningen, vilket ger periodiska kompressioner och utvidgningar av mediet, såsom beskrivs i början.

Men på havets yta är saker och ting lite annorlunda, eftersom det finns dominerande så kallade ytvågor, som kombinerar egenskaper hos längsgående vågor och tvärgående vågor. Därför skiljer sig vågorna som rör sig i djupet i vattenmiljön mycket från de som rör sig på ytan.

En stock som flyter på havsytan har en slags fram- och återgående eller försiktigt roterande rörelse. Faktum är att när vågorna bryter på stranden är det de längsgående komponenterna i vågen som dominerar, och när stocken svarar på rörelsen hos vattenmolekylerna som omger den, observeras den också komma och gå på ytan.

Figur 2. Havsvågor på ytan är vågor som delvis har längsgående vågegenskaper och delvis tvärgående. Källa: Källa: Vargklo på en.wikipedia

Förhållandet mellan djup och våglängd

De faktorer som bestämmer typen av våg som produceras är: vattendjupet och våglängden för havsvågen. Om vattendjupet vid en given punkt kallas d, och våglängden är λ, går vågorna från att vara längsgående till ytliga när:

På ytan får vattenmolekylerna rotationsrörelser som de förlorar när djupet ökar. Friktionen av vattenmassan med botten får dessa banor att bli elliptiska, som visas i figur 2.

På stränderna är vattnet nära kusten mer rastlös eftersom vågorna bryter där, vattenpartiklarna bromsas ner i botten och detta får mer vatten att samlas på åsarna. I djupare vatten uppfattas å andra sidan hur vågorna mjuknar.

När d >> λ / 2 har vi djuphavsvågor eller korta vågor, cirkulära eller elliptiska banor minskar i storlek och längsgående vågor dominerar. Och om d << λ / 2 är vågorna från ytvatten eller långa vågor.

Skillnader med skjuvvågor

Både längsgående och tvärgående vågor faller inom kategorin av mekaniska vågor, som kräver ett material för att de ska spridas.

Den största skillnaden mellan de två nämndes i början: i tvärgående vågor rör sig mediumets partiklar vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning, medan de i längsgående vågor svänger i samma riktning följt av störningen. Men det finns mer särdrag:

Fler skillnader mellan tvärgående och längsgående vågor

- I en tvärgående våg skiljs kammar och dalar, som i längdriktningen motsvarar kompressioner och expansioner.

- En annan skillnad är att longitudinella vågor inte är polariserade eftersom vågens hastighet är densamma som rörelsen hos de oscillerande partiklarna.

- De tvärgående vågorna kan föröka sig i vilket medium som helst och till och med i vakuum, till exempel elektromagnetiska vågor. Å andra sidan, inuti vätskor, som saknar styvhet, har partiklarna inget annat alternativ än att glida förbi varandra och röra sig som störningen gör, det vill säga i längdriktningen.

Som en konsekvens är vågorna som har sitt ursprung i mitten av den oceaniska och atmosfäriska massan i längdriktningen, eftersom tvärgående vågor kräver media med tillräcklig stelhet för att möjliggöra de karakteristiska vinkelräta rörelserna.

- Longitudinella vågor orsakar variationer i tryck och densitet i mediet genom vilket de sprider sig. Å andra sidan påverkar de tvärgående vågorna inte mediet på detta sätt.

Likheter mellan längsgående och tvärgående vågor

De har samma delar gemensamt: period, amplitud, frekvens, cykler, fas och hastighet. Alla vågor genomgår reflektion, brytning, diffraktion, interferens och Doppler-effekten och transporterar energi genom mediet.

Även om topparna och dalarna är utmärkande för en tvärgående våg, är kompressionerna i den längsgående vågen analoga med topparna och utvidgningarna till dalarna, på ett sådant sätt att båda vågorna erkänner samma matematiska beskrivning av sinusvågen eller sinusvågen.

Exempel på längsgående vågor

Ljudvågor är de mest typiska longitudinella vågorna och är bland de mest studerade, eftersom de är grunden för kommunikation och musikaliskt uttryck, orsaker till deras betydelse i människors liv. Dessutom har ljudvågor viktiga tillämpningar inom medicinen, både i diagnos och i behandling.

Ultraljudstekniken är välkänd för att erhålla medicinska bilder, liksom för behandling av njursten, bland andra tillämpningar. Ultraljud genereras av en piezoelektrisk kristall som kan skapa en longitudinell tryckvåg när ett elektriskt fält appliceras (det ger också en ström när tryck appliceras).

För att verkligen se hur en längsgående våg ser ut, är inget bättre än spiralfjädrar eller slinkys. Genom att ge en liten impuls till våren är det omedelbart att observera hur kompressionerna och expansionerna sprids växelvis genom svängarna.

- Seismiska vågor

Längsvågor är också en del av seismiska rörelser. Jordbävningar består av olika slags vågor, bland vilka P eller primära vågor och S eller sekundära vågor. De förstnämnda är i längdriktningen, medan i de senare vibrerar mediumpartiklarna i en riktning tvärs förskjutningen av vågen.

I jordbävningar ytor både longitudinella vågor (primära P-vågor) och tvärgående vågor (sekundära S-vågor) och andra typer, såsom Rayleigh-vågor och kärleksvågor.

Faktum är att longitudinella vågor är de enda som är kända för att resa genom jordens centrum. Eftersom de bara rör sig i flytande eller gasformiga medier, tror forskare att jordens kärna huvudsakligen består av smält järn.

- Ansökningsövning

P-vågorna och S-vågorna som producerats under en jordbävning med olika hastigheter på jorden, så deras ankomsttider på seismografiska stationer är olika (se figur 3). Tack vare detta är det möjligt att bestämma avståndet till jordbävningens centrum genom triangulering med hjälp av data från tre eller flera stationer.

Figur 3. De seismiska vågorna P och S anländer till seismograferna med olika tider, eftersom deras hastigheter är olika. Källa: Wikimedia Commons.

Anta att v _P = 8 km / s är hastigheten för P-vågorna, medan hastigheten för S-vågorna är v _S = 5 km / s. P-vågorna anländer 2 minuter innan de första S-vågorna. Hur beräknar man avståndet från episentret?

Svar

Låt D vara avståndet mellan epicentret och den seismologiska stationen. Med de medföljande uppgifterna kan resetiden t _P och t _S för varje våg hittas:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Skillnaden är Δt = t _S - t _P :

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

Lösning för värdet av D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (Δt. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

Att veta att 2 minuter = 120 sekunder och ersätta resten av värdena:

D = 120 s. (8 km / s. 5 km / s) / (8 - 5 km / s) = 1600 km.

referenser

1. Skillnad mellan tvärgående och längsgående vågor. Återställd från: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Fysikserie för vetenskap och teknik. Volym 7. Redigerad av Douglas Figueroa. Simon Bolivar universitet. 1-58.
3. Infrasound och ultraljud. Återställs från: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Longitudinal och Transverse Wave Rörelse. Hämtad från: acs.psu.edu.
6. Vattenvågor. Hämtad från: labman.phys.utk.edu.