UNDELE DE SUPRAFAȚĂ: CARACTERISTICI, TIPURI ȘI EXEMPLE - FIZIC - 2025

Undele de suprafață sunt cele în care particulele care vibrează au mișcare în două dimensiuni, cum ar fi undele care sunt produse atunci când o piatră este aruncată într-un iaz sau lac.

Acest tip de undă are loc la interfața dintre două medii diferite, cum ar fi oceanul și aerul, sau între suprafața Pământului și aerul. Acestea sunt unde în care particulele se confruntă transversal, combinate cu deplasări longitudinale, adică bidimensionale.

Figura 1. Valurile de suprafață dintr-un iaz. Sursa: Pixabay.

De exemplu, particulele de apă de pe suprafața oceanului - valurile - se deplasează pe căi circulare. Când valurile se rup pe țărm, predomină deplasările longitudinale și, prin urmare, algele sau o bucată de lemn care plutește se văd mișcându-se lin din față înapoi.

De asemenea, undele se deplasează pe suprafața Pământului într-un mod analog valurilor oceanului. Ei călătoresc cu o viteză mai mică decât undele care se mișcă intern prin volumul pământului, dar sunt capabile să provoace rezonanță în clădiri mai ușor.

Deoarece undele produc vibrații și transportă energie, acestea au efecte distructive în timpul cutremurelor.

Figura 2. Valurile de suprafață din ocean. Particulele de apă se mișcă în sensul acelor de ceasornic atunci când mișcarea undei este de la stânga la dreapta. În punctul cel mai înalt se află pe creasta valului, în timp ce punctul cel mai jos se numește canal. Sursa figurii din stânga: F. Zapata. Sursa cifrei drepte: Giambattista, A. 2010. Fizică. 2a. Ediție. McGraw Hill.

Tipuri de unde de suprafață

Orice tip de undă, superficială sau nu, este o soluție a ecuației de undă, care se aplică aproape la orice tip de mișcare de undă, nu numai mecanică, ca în exemplele descrise, dar și unde electromagnetice, care sunt un diferite tipuri de valuri, deoarece sunt transversale.

Ecuația de undă, care se obține luând în considerare a doua lege a lui Newton, este scrisă astfel:

În ecuația de mai sus, u este funcția de undă care depinde de cele trei coordonate spațiale x, y și z plus timpul t: u = u (x, y, z, t). Mai mult, v este viteza perturbației. Ecuația de undă poate fi declarată în alte sisteme de coordonate, în funcție de geometria necesară.

Pentru a găsi soluția ecuației, aceasta este ajustată la condițiile problemei, în care, de exemplu, se delimitează geometria și se stabilesc proprietățile mediului prin care se deplasează perturbația.

Există multe tipuri de unde de suprafață, cum ar fi:

-Vași de gravitație (valuri gravitaționale) ca undele oceanice descrise la început, în care gravitația oferă o forță de restaurare care permite mișcarea transversală.

-Suprafata se umflă într-un iaz, iată tensiunea de suprafață a apei care se exercită ca forță de restaurare.

-Vale elastice superficiale care se deplasează pe suprafața Pământului în timpul unui cutremur

-Undele electromagnetice, care, deși sunt transversale, pot fi ghidate corespunzător pentru a se deplasa pe o suprafață.

-Unele tipuri de unde care sunt produse în șirurile unei chitare atunci când șirurile sunt lovite cu forță.

Undele elastice superficiale pe suprafața pământului

Figura 3. Valul de suprafață pe suprafața pământului. Mișcarea particulelor este o combinație de deplasări transversale și longitudinale. Sursa: Giambattista, A. 2010. Fizică. 2a. Ediție. McGraw Hill.

La rezolvarea ecuației de unde, soluțiile, așa cum am spus, corespund diferitelor tipuri de unde. Atunci când perturbația se mișcă într-un mediu solid, cum ar fi crusta pământului, este posibil să se facă unele presupuneri despre aceasta care să simplifice procesul.

Din acest motiv, mediul este considerat a fi perfect elastic, omogen și izotrop, ceea ce înseamnă că proprietățile sale sunt aceleași indiferent de poziție sau direcție.

În acest sens, două dintre soluțiile ecuației de undă dintr-un mediu elastic corespund undelor de suprafață:

- Waves of Rayleigh, numit după Lord Rayleigh (1842-1919), fizicianul britanic care le-a descris pentru prima dată.

-Waves of Love, de Augustus Love, geofizicist și matematician britanic (1863-1940) care a dezvoltat teoria acestor unde în lucrările sale despre elasticitate.

În sistem seismic, aceste unde se numesc unde L, pentru a le diferenția de undele P și undele S, ambele considerate unde de volum (undele corpului) care sunt și o soluție la ecuația de undă cu condițiile descrise mai sus. Undele P sunt longitudinale, iar undele S sunt transversale.

Exemple de unde de suprafață

Valuri de raze

Într-o undă Rayleigh, particulele de pe undă vibrează în plan vertical, prin urmare se spune că sunt polarizate vertical. Particulele se deplasează într-o elipsă, spre deosebire de valurile de pe suprafața oceanului, a căror mișcare este circulară, așa cum s-a spus la început (deși în apropiere de coastă sunt destul de eliptice).

Axa principală a elipsei este verticală, iar axa minoră urmărește direcția de propagare, așa cum se arată în figură. Acolo se observă, de asemenea, că mișcarea este retrogradă, adică se desfășoară în sens anti-oraș.

Figura 4. Valul Rayleigh. Sursa: Lowrie, W. 2007. Fundamentele Geofizicii. 2a. Ediție. Presa universitară din Cambridge.

O altă diferență importantă cu undele de apă este că undele Rayleigh se pot propaga doar în medii solide, deoarece există o forță de forfecare care nu apare în lichide.

Amplitudinea deplasării particulelor scade exponențial cu adâncimea, deoarece valul este limitat la suprafață, deși dacă este un cutremur cu intensitate ridicată, undele pot înconjura Pământul de câteva ori înainte de a părea complet .

Valurile Iubirii

În undele Iubirii particulele sunt polarizate orizontal și au o amplitudine mare de mișcare paralelă cu suprafața. Ei se deplasează cu o viteză puțin mai mică decât undele Rayleigh, deși viteza în aceste tipuri de unde depinde de lungimea de undă (unda dispersivă).

Pentru ca aceste valuri să se propage, trebuie să existe un strat de viteză mică suprapus pe cel puțin un strat cu viteză mai mare la mijloc. La fel ca valurile Rayleigh, Valurile de dragoste produse în timpul unui cutremur pot cerceta Pământul de mai multe ori înainte de a-și dispersa energia.

Figura 5. Valurile iubirii. Sursa: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Rolă la sol

Este comună să găsiți această variantă a undelor Rayleigh, numită roll roll, în registrele de explorare seismică. Este considerat zgomot și trebuie evitat, deoarece datorită amplitudinii sale mari, uneori maschează reflectările pe care căutați să le vedeți.

valurile oceanului

La mare adâncime, undele oceanului sunt unde longitudinale, precum cele ale sunetului. Aceasta înseamnă că direcția sa de propagare este aceeași cu direcția în care particulele vibrează.

Cu toate acestea, valul, în apropiere de suprafață, are atât componente longitudinale, cât și transversale, determinând particulele să urmeze o cale aproape circulară (vezi figura 2 dreapta).

Figura 6. Undele oceanului sunt valuri de suprafață. Sursa: Pixabay.

Referințe

1. Figueroa, D. 2005. Valuri și fizică cuantică. Serie de fizică pentru știință și inginerie. Editat de D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fizică. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fundamentele Geofizicii. 2a. Ediție. Presa universitară din Cambridge.
4. Wikipedia. Valurile Iubirii. Recuperat de la: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Valuri de raze. Recuperat de la: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Valuri de suprafață. Recuperat de la: en.wikipedia.org.