Εγκάρσιο κύμα – Ορισμός, Ταχύτητα, Παραδείγματα
Τα κύματα μπορούν να βρεθούν παντού και μπορούν να περιγραφούν ως διαταραχές που ταξιδεύουν από το ένα σημείο ενός μέσου στο άλλο. Βρίσκονται σε πολλά διαφορετικά μεγέθη και σχήματα. Ενώ σχεδόν όλα τα κύματα έχουν παρόμοιες θεμελιώδεις ιδιότητες και συμπεριφορές, μερικά από αυτά μπορούν να διακριθούν από άλλα κύματα με βάση ορισμένες αξιοσημείωτες ιδιότητες. Ένας τρόπος ταξινόμησης αυτών των κυμάτων βασίζεται στην κατεύθυνση κίνησης των σωματιδίων που τα αποτελούν σε σχέση με την κίνηση των σωματιδίων του μέσου. Η ταξινόμηση των κυμάτων με αυτόν τον τρόπο δημιουργεί δύο κύριους τύπους - τα εγκάρσια και τα διαμήκη κύματα.
Ενώ ένα εγκάρσιο κύμα μπορεί να οριστεί ως ένα του οποίου τα σωματίδια κινούνται σε ορθή γωνία προς την κίνηση των σωματιδίων του μέσου, τα διαμήκη κύματα είναι εκείνα των οποίων τα σωματίδια κινούνται παράλληλα με την κατεύθυνση της κίνησης των σωματιδίων του μέσου. Αυτά τα άρθρα επικεντρώνονται στα εγκάρσια κύματα και στα άρθρα τους. Έχουμε επίσης ένα άρθρο όπου έχουμε συζητήσει λεπτομερώς τα διαμήκη κύματα. μπορείτε να το ελέγξετε εάν θέλετε να μάθετε γι 'αυτά. Ελπίζουμε ότι μέχρι το τέλος αυτού του άρθρου, θα γνωρίζετε τι είναι ένα εγκάρσιο κύμα, τι είναι ο ορισμός του εγκάρσιου κύματος και το παράδειγμα εγκάρσιου κύματος και θα είστε σε θέση να απαντήσετε στις περισσότερες ερωτήσεις σχετικά με τα εγκάρσια κύματα.
Τι είναι το εγκάρσιο κύμα;
Αναρωτιέστε τι είναι το εγκάρσιο κύμα και τι είναι ο ορισμός του εγκάρσιου κύματος; Από τη σκοπιά της Φυσικής, εγκάρσιο κύμα είναι ένα κύμα του οποίου οι ταλαντώσεις των σωματιδίων είναι κάθετες προς την κατεύθυνση του κύματος. Μπορούμε να δείξουμε αυτό το κύμα δένοντας μια χορδή οριζόντια. Το ένα άκρο του κορδονιού πρέπει να ασφαλίζεται ενώ το άλλο πρέπει να μετακινείται πάνω-κάτω. Ένα άλλο παράδειγμα εγκάρσιου κύματος θα ήταν τα κύματα φωτός, στα οποία οι ταλαντώσεις είναι μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία και βρίσκονται κάθετα στις ιδανικές ακτίνες φωτός που ορίζουν την κατεύθυνση διάδοσης.
Μπορούμε να αναπαραστήσουμε ένα απλό εγκάρσιο κύμα με συνημιτονική ή ημιτονοειδή καμπύλη. Ονομάζεται έτσι επειδή το πλάτος οποιουδήποτε σημείου στην καμπύλη αντιστοιχεί στο ημίτονο μιας γωνίας.
Οι καμπύλες ημιτονοειδούς διαφόρων διαφορετικών πλάτη έχουν αναπαρασταθεί στο σχήμα. Αυτές οι καμπύλες δείχνουν πώς μοιάζει ένα στάσιμο εγκάρσιο κύμα σε διαδοχικά χρονικά διαστήματα. Ο χρόνος που χρειάζεται ένα σημείο στο κύμα για να ολοκληρώσει μια ταλάντωση μέσω του άξονα αναφέρεται ως περίοδος κυματικής κίνησης. Η συχνότητα του κύματος αντιπροσωπεύει τον αριθμό των ταλαντώσεων που ολοκληρώνονται από αυτό ανά δευτερόλεπτο. Το μήκος κύματος του κύματος είναι η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών κοιλοτήτων ή κορυφών του κύματος. Ορισμένα εγκάρσια κύματα είναι πολύπλοκα, που σημαίνει ότι οι καμπύλες τους περιέχουν περισσότερες από μία καμπύλες συνημιτόνου ή ημιτονοειδούς.
Τα εγκάρσια κύματα παρατηρούνται συνήθως σε ελαστικά στερεά. Στην περίπτωση αυτή, οι ταλαντώσεις αντιστοιχούν στη μετατόπιση των σωματιδίων του στερεού από τη θεμελιώδη τους κατάσταση σε κατεύθυνση κάθετη προς τη διάδοση του κύματος. Καθώς αυτές οι μετατοπίσεις αντιστοιχούν στη διατμητική παραμόρφωση του υλικού, αυτά τα εγκάρσια κύματα αναφέρονται ως κύματα διάτμησης. Αυτά τα διατμητικά κύματα ονομάζονται επίσης δευτερεύοντα ή κύματα S στη σεισμολογία.
Παραδείγματα εγκάρσιων κυμάτων
Ακολουθούν μερικά παραδείγματα εγκάρσιων κυμάτων:
- Οι κυματισμοί που σχηματίζονται στην επιφάνεια του νερού λόγω ελαφρών διαταραχών είναι παραδείγματα εγκάρσιων κυμάτων.
- Στάδιο ή ανθρώπινο κύμα
- Δευτερεύοντα κύματα που ακολουθούν έναν σεισμό
- Τα κύματα στον ωκεανό είναι παραδείγματα εγκάρσιων κυμάτων.
Ταχύτητα εγκάρσιου κύματος
Ένα εγκάρσιο κύμα αποτελείται από κορυφές και γούρνες. Η κορυφή αντιστοιχεί στο υψηλότερο σημείο του κύματος, ενώ η γούρνα αντιστοιχεί στο χαμηλότερο σημείο ή στο κάτω σημείο. Ακολουθεί ένα διάγραμμα που δείχνει μια οπτική αναπαράσταση της κορυφής και των κοιλοτήτων ενός εγκάρσιου κύματος.
Άλλες ορολογίες που σχετίζονται με εγκάρσια κύματα
Μήκος κύματος
Το μήκος κύματος ενός εγκάρσιου κύματος είναι η απόσταση μεταξύ δύο αντίστοιχων κοιλοτήτων ή κορυφών στο κύμα.
Περίοδος
Η περίοδος ενός εγκάρσιου κύματος είναι ο χρόνος που απαιτείται για δύο γειτονικές κορυφές να διασχίσουν ένα σταθερό σημείο.
Συχνότητα
Η συχνότητα ενός εγκάρσιου κύματος αναφέρεται στον αριθμό των μηκών κύματος που διασχίζουν ένα συγκεκριμένο σταθερό σημείο σε ένα δευτερόλεπτο.
Πώς να υπολογίσετε την ταχύτητα ενός κύματος σε μια χορδή;
Μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα ενός κύματος διαιρώντας την απόσταση που διένυσε σε μια δεδομένη χρονική στιγμή με το χρόνο που χρειάστηκε για να καλύψει αυτή την απόσταση. Για τα εγκάρσια κύματα, αυτή η ταχύτητα μπορεί να ληφθεί διαιρώντας το μήκος κύματος με την περίοδο ως έχει:
v =λ T
Αν πάρουμε την αντίστροφη αναλογικότητα στη συχνότητα και την περίοδο και την εφαρμόσουμε εδώ, παίρνουμε:
v =λ T
v =λ f
Ταχύτητα κύματος σε δονούμενη χορδή
Μουσικά όργανα όπως κιθάρες και πιάνα χρησιμοποιούν δονούμενες χορδές για να σχηματίσουν μουσικές νότες. Σε αυτόν τον τύπο χορδής, η ταχύτητα ενός κύματος είναι ευθέως ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της τάσης της χορδής. Είναι επίσης αντιστρόφως ανάλογο με την τετραγωνική ρίζα της γραμμικής πυκνότητας της χορδής. Αυτό μπορεί να διατυπωθεί ως εξής:
Ανάκλαση εγκάρσιων κυμάτων
Η ανάκλαση ενός εγκάρσιου κύματος εξαρτάται από το αν είναι σταθερό ή όχι και στα δύο άκρα. Ας συζητήσουμε πρώτα μια κατάσταση όπου και τα δύο άκρα των κυμάτων είναι σταθερά.
Η παραπάνω εικόνα αντιπροσωπεύει ένα εγκάρσιο κύμα που ανακλάται από ένα σταθερό άκρο. Η ανάκλαση κύματος συμβαίνει όταν ένα εγκάρσιο κύμα συναντά ένα σταθερό άκρο, αλλά το ανακλώμενο κύμα είναι ανεστραμμένο. Αυτό προκαλεί εναλλαγή των κορυφών με γούρνες και αντίστροφα.
Πώς αναγνωρίζουμε τους τύπους κυμάτων;
Η μετατόπιση των σωματιδίων σε ένα εγκάρσιο κύμα συμβαίνει κάθετα προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Παραδείγματα τέτοιων κυμάτων είναι κυματισμοί που σχηματίζονται στην επιφάνεια του νερού ή δονήσεις στη χορδή ενός μουσικού οργάνου. Ένα οριζόντιο εγκάρσιο κύμα μπορεί να γίνει με την κίνηση του slinky κατακόρυφα προς τα πάνω και προς τα κάτω.
Η μετατόπιση των σωματιδίων σε ένα διαμήκη κύμα συμβαίνει σε κατεύθυνση παράλληλη με τη διάδοση της κατεύθυνσης του κύματος. Παραδείγματα τέτοιων κυμάτων είναι οι συμπιέσεις που κινούνται κατά μήκος ενός slinky. Ένα διαμήκη κύμα οριζόντιου τύπου μπορεί να σχηματιστεί πιέζοντας και τραβώντας το slinky σε οριζόντια κατεύθυνση.
Τρόπος αναγνώρισης ενός διαμήκους κύματος
Σε ένα διαμήκη κύμα, τα σωματίδια που αποτελούν το μέσο κινούνται σε κατεύθυνση παράλληλη προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Φανταστείτε το τέντωμα ενός slinky οριζόντια σε μια τάξη και την εισαγωγή ενός παλμού στο αριστερό άκρο του προκαλώντας δονητική κίνηση του πρώτου πηνίου προς τα αριστερά και προς τα δεξιά. Η ενέργεια θα ρέει κατά μήκος του slinky από αριστερά προς τα δεξιά.
Καθώς η ενέργεια ρέει από την αριστερή πλευρά του slinky προς τη δεξιά πλευρά, θα υπάρχει μετατόπιση των μεμονωμένων πηνίων του μέσου προς τα αριστερά και τα δεξιά. Σε αυτή την περίπτωση, η κίνηση των σωματιδίων που αποτελούν το μέσο είναι σε παράλληλη κατεύθυνση με την κίνηση του παλμού. Αυτό είναι ένα παράδειγμα διαμήκους κύματος. Σε τέτοια κύματα, η κατεύθυνση της κίνησης των σωματιδίων είναι πάντα παράλληλη με την κατεύθυνση της διάδοσης του κύματος.
Τα ηχητικά κύματα είναι διαμήκη ή εγκάρσια; Ένα άλλο κλασικό παράδειγμα διαμήκων κυμάτων είναι τα ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν στον αέρα. Καθώς υπάρχει μια κίνηση του ηχητικού κύματος από τα χείλη του ομιλητή προς τα αυτιά του ακροατή, τα σωματίδια του αέρα δονούνται εμπρός και πίσω στην ίδια κατεύθυνση και σε αντίθετη κατεύθυνση από την οποία μεταφέρεται η ενέργεια. Κάθε σωματίδιο ωθείται προς την εμπρός κατεύθυνση από τα γειτονικά του σωματίδια.
Η σύγκρουση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου με το παρακείμενο σωματίδιο του προκαλεί την επαναφορά του στην αρχική του θέση και μετατόπιση του παρακείμενου σωματιδίου προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός. Αυτή η κίνηση των σωματιδίων προς και από προς την κατεύθυνση της μεταφοράς ενέργειας παράγει περιοχές εντός του μέσου όπου τα σωματίδια συγκρούονται και κάποιες άλλες περιοχές όπου τα σωματίδια απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Αυτές οι περιοχές βοηθούν στη γρήγορη αναγνώριση των διαμήκων κυμάτων. Το φαινόμενο συνεχίζεται σε ολόκληρη την αλυσίδα των σωματιδίων μέχρι το ηχητικό κύμα να φτάσει στον προορισμό, δηλαδή στο αυτί του ακροατή.
Συμπέρασμα
Αυτό το άρθρο έχει συζητήσει όλες τις πτυχές που σχετίζονται με την έννοια των εγκάρσιων κυμάτων και πολλές άλλες σχετικές έννοιες. Ελπίζουμε ότι μέχρι το τέλος αυτού του άρθρου, θα είστε σε θέση να απαντήσετε στις περισσότερες ερωτήσεις σχετικά με τα εγκάρσια κύματα, όπως τι είναι ένα εγκάρσιο κύμα, ποια είναι τα χαρακτηριστικά του, τι είναι ο ορισμός του εγκάρσιου κύματος και πώς μπορεί να διαφοροποιηθεί από άλλους τύπους κύματα.
Συχνές ερωτήσεις
Ε) Από τι εξαρτάται κυρίως ένα εγκάρσιο κύμα;
Α) Ένα εγκάρσιο κύμα εξαρτάται κυρίως από τα χαρακτηριστικά του μέσου στο οποίο διαδίδεται.
Ε) Ποιο είναι το πλάτος ενός εγκάρσιου κύματος;
Α) Το πλάτος ενός εγκάρσιου κύματος είναι η μετατόπιση ενός σωματιδίου από το σημείο ισορροπίας στη μέγιστη έκταση.
Ε) Μπορεί ένα εγκάρσιο κύμα να διαδοθεί σε οποιοδήποτε μέσο;
Α) Τα εγκάρσια κύματα δεν απαιτούν μέσο για τη διάδοσή τους. Μπορούν ακόμη και να διαδοθούν μέσω κενού.
Ε) Είναι τα ηχητικά κύματα διαμήκη ή εγκάρσια;
Α) Τα ηχητικά κύματα είναι ένα είδος εγκάρσιου κύματος. Η κατεύθυνση κίνησης των μεμονωμένων σωματιδίων τους είναι παράλληλη με την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος.
