UNDELE LONGITUDINALE: CARACTERISTICI, DIFERENȚE, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Cele valuri longitudinale se manifestă prin mijloace materiale , în care particulele paralel oscileze cu direcția undei se deplasează. după cum se va vedea în imaginile următoare. Aceasta este caracteristica sa distinctivă.

Undele sonore, anumite unde care apar în timpul unui cutremur și cele care sunt produse într-o linie sau un arc atunci când i se oferă un impuls mic în aceeași direcție a axei sale, sunt exemple bune ale acestei clase de unde.

Figura 1. Sunetul este o undă longitudinală care produce compresii și expansiuni succesive în aer. Sursa: Wikimedia Commons. Pluke

Sunetul este produs atunci când un obiect (cum ar fi furculita de reglare a figurii, un instrument muzical sau pur și simplu corzile vocale) este făcut să vibreze într-un mediu capabil să transmită perturbarea prin vibrația moleculelor sale. Aerul este un mediu adecvat, dar și lichide și solide sunt.

Perturbarea modifică în mod repetat presiunea și densitatea mediului. În acest fel, valul produce compresiuni și extinderi (rarefactions) în moleculele mediului, deoarece energia care se mișcă la o anumită viteză v .

Aceste modificări ale presiunii sunt percepute de ureche prin vibrații în timpan, pe care rețeaua nervoasă este responsabilă de transformarea în curenți electrici minusculi. La atingerea creierului, le interpretează ca sunete.

Într-o undă longitudinală modelul care se repetă continuu se numește ciclu, iar durata lui este perioada undei. Există, de asemenea, amplitudinea, care este intensitatea maximă și care este măsurată în funcție de mărimea care este luată ca referință, în cazul sunetului poate fi variația presiunii în mediu.

Un alt parametru important este lungimea de undă: distanța dintre două compresiuni sau expansiuni succesive, vezi figura 1. În Sistemul internațional, lungimea de undă este măsurată în metri. În sfârșit, există viteza sa (în metri / secundă pentru Sistemul Internațional), care indică cât de rapid se propagă energia.

Cum apar valurile longitudinale în valurile oceanelor?

Într-un corp acvatic, undele sunt produse din mai multe cauze (schimbări de presiune, vânturi, interacțiuni gravitaționale cu alte stele). În acest fel, valurile marine pot fi clasificate în:

- Valurile vântului

- Marea mare

- Tsunami

Descrierea acestor valuri este destul de complexă. În linii generale, în apele adânci valurile se mișcă longitudinal, producând compresii periodice și expansiuni ale mediului, așa cum este descris la început.

Cu toate acestea, pe suprafața mării lucrurile sunt puțin diferite, deoarece există predominante așa-numitele valuri de suprafață, care combină caracteristicile undelor longitudinale și a undelor transversale. Prin urmare, valurile care se mișcă în adâncurile mediului acvatic diferă foarte mult de cele care se mișcă la suprafață.

Un jurnal plutind pe suprafața mării are un fel de mișcare reciprocă sau rotativă. Într-adevăr, atunci când valurile se rup pe țărm, componentele longitudinale ale valului predomină, iar pe măsură ce jurnalul răspunde la mișcarea moleculelor de apă care îl înconjoară, se observă și venirea și ieșirea la suprafață.

Figura 2. Valurile mării la suprafață sunt valuri care au parțial caracteristici ale undelor longitudinale și parțial transversale. Sursa: Sursa: Vargklo la en.wikipedia

Relația dintre adâncime și lungime de undă

Factorii care determină tipul de undă care este produs sunt: ​​adâncimea apei și lungimea de undă a undei mării. Dacă adâncimea apei într-un anumit punct se numește d, iar lungimea de undă este λ, undele merg de la a fi longitudinale la superficiale atunci când:

La suprafață, moleculele de apă dobândesc mișcări de rotație pe care le pierd odată cu creșterea adâncimii. Fricțiunea masei de apă cu fundul face ca aceste orbite să devină eliptice, așa cum se arată în figura 2.

Pe plaje, apele din apropierea țărmului sunt mai neliniștite, deoarece acolo valurile se rup, particulele de apă sunt încetinite în partea de jos și acest lucru face să se acumuleze mai multă apă pe creste. În apele mai adânci, pe de altă parte, se percepe modul în care valurile se înmoaie.

Când d >> λ / 2 avem valuri de adâncime sau unde scurte, orbitele circulare sau eliptice scad în dimensiune și valurile longitudinale predomină. Și dacă d << λ / 2 valurile sunt din ape de suprafață sau valuri lungi.

Diferențe cu valurile de forfecare

Atât undele longitudinale, cât și cele transversale se încadrează în categoria undelor mecanice, care necesită un material material pentru propagarea lor.

Distincția majoră făcută între cele două a fost menționată la început: în undele transversale, particulele mediului se deplasează perpendicular pe direcția de propagare a undei, în timp ce în undele longitudinale acestea oscilează în aceeași direcție, urmate de perturbare. Există însă mai multe caracteristici distinctive:

Mai multe diferențe între undele transversale și longitudinale

- Într-un val transversal, se disting crestele și văile, care în cele longitudinale sunt echivalente cu compresiunile și expansiunile.

- O altă diferență este că undele longitudinale nu sunt polarizate, deoarece direcția vitezei undei este aceeași cu cea a mișcării particulelor oscilante.

- Undele transversale se pot propaga în orice mediu și chiar în vid, cum ar fi undele electromagnetice. Pe de altă parte, în interiorul fluidelor, lipsite de rigiditate, particulele nu au altă opțiune decât să alunece una peste alta și să se deplaseze așa cum o face tulburarea, adică longitudinal.

În consecință, undele originare din mijlocul maselor oceanice și atmosferice sunt longitudinale, deoarece undele transversale necesită medii cu rigiditate suficientă pentru a permite mișcările perpendiculare caracteristice.

- Undele longitudinale provoacă variații de presiune și densitate în mediul prin care se propagă. Pe de altă parte, undele transversale nu afectează mediul în acest fel.

Asemănări între undele longitudinale și cele transversale

Au aceleași părți în comun: perioada, amplitudinea, frecvența, ciclurile, faza și viteza. Toate undele sunt supuse reflecției, refracției, difracției, interferenței și efectului Doppler și transportă energie prin mediu.

Chiar dacă vârfurile și văile sunt distincte pentru o undă transversală, compresiunile din unda longitudinală sunt analoge vârfurilor și expansiunilor către văi, în așa fel încât ambele valuri admit aceeași descriere matematică a undei sinusoidale sau sinusoidale.

Exemple de unde longitudinale

Undele sonore sunt cele mai tipice unde longitudinale și sunt printre cele mai studiate, deoarece sunt fundamentul comunicării și al expresiei muzicale, motive pentru importanța lor în viața oamenilor. În plus, undele sonore au aplicații importante în medicină, atât în ​​diagnostic, cât și în tratament.

Tehnica cu ultrasunete este bine cunoscută pentru obținerea de imagini medicale, precum și pentru tratamentul pietrelor la rinichi, printre alte aplicații. Ecografia este generată de un cristal piezoelectric capabil să creeze o undă longitudinală de presiune atunci când se aplică un câmp electric (produce și un curent când se aplică presiune).

Pentru a vedea cu adevărat cum arată o undă longitudinală, nimic mai bun decât arcurile de bobină sau slinkys. Dând un impuls mic arcului, este imediat să observați cum compresiunile și dilatațiile sunt propagate alternativ de-a lungul virajelor.

- Unde seismice

Undele longitudinale fac parte și din mișcările seismice. Cutremurele constau din diferite tipuri de unde, printre care se numără P sau unde primare și S sau unde secundare. Primele sunt longitudinale, în timp ce în cele din urmă particulele medii vibrează într-o direcție transversală deplasării undei.

În cutremure, sunt produse atât undele longitudinale (undele primare P), cât și undele transversale (undele S secundare) și alte tipuri, precum undele Rayleigh de suprafață și undele Love.

De fapt, undele longitudinale sunt singurele cunoscute care călătoresc prin centrul Pământului. Deoarece se mișcă doar în medii lichide sau gazoase, oamenii de știință consideră că miezul Pământului este compus în principal din fier topit.

- Exercițiu de aplicare

Undele P și undele S produse în timpul unui cutremur circulă cu viteze diferite pe Pământ, astfel încât timpul lor de sosire la stațiile seismografice este diferit (a se vedea figura 3). Datorită acestui fapt, este posibilă determinarea distanței până la epicentrul cutremurului, prin triangulare, folosind date de la trei sau mai multe stații.

Figura 3. Undele seismice P și S ajung la seismografe cu timpuri diferite, deoarece vitezele lor sunt diferite. Sursa: Wikimedia Commons.

Să presupunem că v _P = 8 km / s este viteza undelor P, în timp ce viteza undelor S este v _S = 5 km / s. Undele P ajung cu 2 minute înainte de primele unde S. Cum se calculează distanța față de epicentru?

Răspuns

Fie D distanța dintre epicentru și stația seismologică. Cu datele furnizate, timpul de călătorie t _P și t _S al fiecărei valuri pot fi găsite:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Diferența este Δt = t _S - t _P :

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

Rezolvarea valorii lui D:

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

Știind că 2 minute = 120 secunde și înlocuirea restului valorilor:

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

Referințe

1. Diferența dintre undele transversale și longitudinale. Recuperat de la: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Valuri și fizică cuantică. Serie de fizică pentru știință și inginerie. Volumul 7. Editat de Douglas Figueroa. Universitatea Simon Bolivar 1-58.
3. Infrasunete și ecografie. Recuperat din: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Mișcarea undelor longitudinale și transversale. Preluat de la: acs.psu.edu.
6. Valurile de apă. Preluat de la: labman.phys.utk.edu.