PINTA-AALLOT: OMINAISUUDET, TYYPIT JA ESIMERKIT - FYYSINEN - 2025

Pinta- aallot ovat niitä, joissa värisevillä hiukkasilla on liikettä kahdessa ulottuvuudessa, kuten aallot, joita syntyy, kun kivi pudotetaan lammikkoon tai järveen.

Tämäntyyppinen aalto esiintyy kahden eri median, kuten valtameren ja ilman, tai maanpinnan ja ilman välisellä rajapinnalla. Nämä ovat aaltoja, joissa hiukkaset kokevat poikittaisia ​​yhdistettynä pitkittäissiirtoihin, ts. Kaksiulotteisiin.

Kuva 1. Pinta-aallot lampissa. Lähde: Pixabay.

Esimerkiksi valtameren pinnalla olevat vesipartikkelit - aallot - liikkuvat pyöreillä poluilla. Kun aallot murtuvat rannalla, pitkittäiset siirtymät ovat vallitsevia, ja sen vuoksi merilevän tai kelluvan puukappaleen nähdään liikkuvan sujuvasti edestä taakse.

Aallot liikkuvat myös maan pinnalla samalla tavalla kuin valtameri-aallot. Ne kulkevat hitaammin kuin aallot, jotka liikkuvat sisäisesti maanpinnan läpi, mutta ne kykenevät aiheuttamaan resonanssin rakennuksissa helpommin.

Koska aallot tuottavat tärinää ja kuljettavat energiaa, niillä on tuhoavia vaikutuksia maanjäristysten aikana.

Kuva 2. Pinta-aallot valtameressä. Vesipartikkelit liikkuvat myötäpäivään, kun aalto liikkuu vasemmalta oikealle. Korkeimmassa pisteessä ne ovat aallon huipulla, kun taas alinta pistettä kutsutaan kanavaksi. Vasemman kuvan lähde: F. Zapata. Oikean kuvan lähde: Giambattista, A. 2010. Fysiikka. 2nd. Painos. McGraw Hill.

Pinta-aaltojen tyypit

Minkä tahansa tyyppinen aalto, olipa se pinnallinen tai ei, on ratkaisu aaltoyhtälöön, jota sovelletaan melkein kaikkiin aallon liikkeisiin, ei vain mekaanisiin, kuten kuvattuissa esimerkeissä, vaan myös sähkömagneettisiin aaltoihin, jotka ovat erilaisia ​​aaltoja, koska ne ovat poikittaisia.

Aaltoyhtälö, joka saadaan ottaen huomioon Newtonin toinen laki, kirjoitetaan seuraavasti:

Yllä olevassa yhtälössä u on aaltofunktio, joka riippuu kolmesta alueellisesta koordinaatista x, y ja z plus ajasta t: u = u (x, y, z, t). Lisäksi v on häiriön nopeus. Aaltoyhtälö voidaan ilmaista muissa koordinaattijärjestelmissä tarvittavasta geometriasta riippuen.

Yhtälön ratkaisun löytämiseksi se säädetään ongelmaolosuhteisiin, joissa esimerkiksi geometria rajataan ja määritetään sen väliaineen ominaisuudet, jonka läpi häiriö liikkuu.

Pinta-aaltoja on monen tyyppisiä, kuten:

-Gravitaatioaallot (painovoima-aallot) kuten alussa kuvatut valtameren aallot, joissa painovoima tarjoaa palauttavan voiman, joka mahdollistaa poikittaisen liikkeen.

-Pinta turpoaa lampissa, tässä on veden pintajännitys, joka palauttaa voimaa.

-Pinta-elastiset aallot, jotka liikkuvat maan pinnalla maanjäristyksen aikana.

- Sähkömagneettisia aaltoja, jotka poikittaisista huolimatta voidaan ohjata oikein liikkumaan pinnalla.

-Tietyt aallotyypit, joita syntyy kitaran kielillä, kun jouset lyödään voimalla.

Pinnalliset joustavat aallot maan pinnalla

Kuva 3. Pinta-aalto maan pinnalla. Hiukkasten liike on yhdistelmä poikittaisia ​​ja pitkittäisiä siirtymiä. Lähde: Giambattista, A. 2010. Fysiikka. 2nd. Painos. McGraw Hill.

Aaltoyhtälöä ratkaistaessa ratkaisut, kuten olemme sanoneet, vastaavat erityyppisiä aaltoja. Kun häiriö liikkuu kiinteässä väliaineessa, kuten maankuoressa, siitä on mahdollista tehdä joitain oletuksia, jotka yksinkertaistavat prosessia.

Tästä syystä väliaineen katsotaan olevan täysin joustava, homogeeninen ja isotrooppinen, mikä tarkoittaa, että sen ominaisuudet ovat samat sijainnista tai suunnasta riippumatta.

Tätä silmällä pitäen, kaksi ratkaisua aaltoyhtälöön elastisessa väliaineessa vastaa pinta-aaltoja:

- Rayleighin aallot, nimeltään lordi Rayleigh (1842-1919), brittiläinen fyysikko, joka kuvasi ne ensin.

- Rakkauden aallot, kirjoittanut brittilainen geofysiikko ja matemaatikko Augustus Love (1863-1940), joka kehitti näiden aaltojen teorian joustavuutta koskevissa teoksissaan.

Seismisessä näitä aaltoja kutsutaan L-aaltoiksi, jotta ne voidaan erottaa P- ja S-aalloista, joita pidetään molemmina tilavuusaaltoina (kehon aaltoja), jotka ovat myös ratkaisu aaltoyhtälöön yllä kuvattujen olosuhteiden kanssa. P-aallot ovat pitkittäisiä ja S-aallot ovat poikittaisia.

Esimerkkejä pinta-aalloista

Rayleigh aaltoja

Rayleigh-aallossa aaltorintamaiset hiukkaset värähtelevät pystytasossa, joten niiden sanotaan olevan polarisoituneita pystysuoraan. Hiukkaset liikkuvat ellipsissä toisin kuin valtameren pinnalla olevat aallot, joiden liike on pyöreä, kuten alussa sanottiin (vaikka rannikon lähellä ne ovat melko elliptisiä).

Ellipsin pääakseli on pystysuora ja sivuakseli seuraa etenemissuuntaa, kuten kuvassa esitetään. Siellä on myös huomattava, että liike on taaksepäin, ts. Se suoritetaan vastapäivään.

Kuva 4. Rayleigh-aalto. Lähde: Lowrie, W. 2007. Geofysiikan perusteet. 2nd. Painos. Cambridge University Press.

Toinen tärkeä ero vesiaallon kanssa on, että Rayleigh-aallot voivat levitä vain kiinteissä väliaineissa, koska leikkausvoimaa ei esiinny nesteissä.

Hiukkasen siirtymisen amplitudi pienenee eksponentiaalisesti syvyydellä, koska aalto rajoittuu pintaan, vaikka aallot voivat kiertää maapallon useita kertoja, jos se on voimakkaan maanjäristyksen jälkeen useita kertoja, ennen kuin se häviää kokonaan.

Rakkauden aallot

Rakkauden aalloissa hiukkaset polarisoituvat vaakasuunnassa ja niillä on suuri liikkeen amplitudi pinnan suuntaisesti. Ne liikkuvat hieman hitaammalla nopeudella kuin Rayleigh-aallot, vaikka nopeus tämäntyyppisissä aalloissa riippuu aallonpituudesta (dispersiivinen aalto).

Jotta nämä aallot leviäisivät, ainakin yhden keskellä olevan nopeamman kerroksen päällä on oltava hidas nopeuskerros. Kuten Rayleigh-aallot, maanjäristyksen aikana syntyvät rakkauden aallot voivat kiertää maata useita kertoja ennen niiden energian hajottamista.

Kuva 5. Rakkauden aallot. Lähde: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Maan rulla

On yleistä löytää tämä Rayleigh-aaltojen variantti, jota kutsutaan maapallotelaksi, seismisissä etsintätietueissa. Sitä pidetään meluna ja sitä on vältettävä, koska suuren amplitudinsa takia se peittää toisinaan heijastuksia, joita haluat nähdä.

meren aallot

Suurella syvyydellä meren aallot ovat pitkittäisaaltoja, kuten äänen aallot. Tämä tarkoittaa, että sen etenemissuunta on sama kuin hiukkasten värähtelyn suunta.

Pinnan lähellä olevassa aallossa on kuitenkin sekä pitkittäisiä että poikittaisia ​​komponentteja, mikä saa partikkelit kulkemaan melkein pyöreällä tiellä (katso kuva 2 oikealla).

Kuva 6. Meri-aallot ovat pinta-aaltoja. Lähde: Pixabay.

Viitteet

1. Figueroa, D. 2005. Aallot ja kvanttifysiikka. Fysiikan sarja tiedettä ja tekniikkaa varten. Toimittanut D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fysiikka. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Geofysiikan perusteet. 2nd. Painos. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Rakkauden aallot. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh aaltoja. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Pinta-aallot. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org.