Você pode imaginar o que são ondas mecânicas jogando uma pedra na água. Os círculos que aparecem nela e que alternam vales e cumes são um exemplo de ondas mecânicas. Qual é a essência deles? As ondas mecânicas são o processo de propagação de vibração em meios elásticos.
Ondas em superfícies líquidas
Tais ondas mecânicas existem devido à influência das forças intermoleculares e da gravidade nas partículas de um líquido. As pessoas estudam esse fenômeno há muito tempo. As mais notáveis são as ondas do oceano e do mar. À medida que a velocidade do vento aumenta, eles mudam e sua altura aumenta. A forma das próprias ondas também se torna mais complicada. No oceano, podem atingir proporções assustadoras. Um dos exemplos mais claros de força é o tsunami que varre tudo em seu caminho.
Energia do mar e das ondas do mar
Ao atingir a costa, as ondas do mar aumentam com uma mudança brusca de profundidade. Às vezes atingem uma altura de vários metros. Nesses momentos, a energia cinética de uma colossal massa de água é transferida para obstáculos costeiros, que são rapidamente destruídos sob sua influência. A força do surf às vezes atinge valores grandiosos.
Ondas Elásticas
Na mecânica, estudam-se não apenas as vibrações na superfície de um líquido, mas também as chamadas ondas elásticas. São perturbações que se propagam em diferentes meios sob a ação de forças elásticas neles. Tal perturbação é qualquer desvio das partículas de um determinado meio da posição de equilíbrio. Um bom exemplo de ondas elásticas é uma longa corda ou tubo de borracha preso a algo em uma extremidade. Se você puxá-lo com força e, em seguida, criar uma perturbação em sua segunda extremidade (não fixa) com um movimento lateral brusco, você pode ver como ele “corre” ao longo de todo o comprimento da corda até o suporte e é refletido de volta.
Fonte de ondas mecânicas
A perturbação inicial leva ao aparecimento de uma onda no meio. É causada pela ação de algum corpo estranho, que em física é chamado de fonte da onda. Pode ser a mão de uma pessoa balançando uma corda ou uma pedrinha jogada na água. No caso em que a ação da fonte é de curta duração, uma onda solitária geralmente aparece no meio. Quando o “perturbador” faz longos movimentos oscilatórios, as ondas começam a aparecer uma após a outra.
Condições para a ocorrência de ondas mecânicas
Esse tipo de oscilação nem sempre é formado. Uma condição necessária para o seu aparecimento é a ocorrência no momento da perturbação do meio de forças que o impeçam, em particular, da elasticidade. Eles tendem a aproximar as partículas vizinhas quando se afastam e as afastam umas das outras quando se aproximam. Forças elásticas atuando distantes defonte de perturbação da partícula, começam a desequilibrá-los. Com o tempo, todas as partículas do meio estão envolvidas em um movimento oscilatório. A propagação de tais oscilações é a onda.
Ondas mecânicas em meio elástico
Em uma onda elástica, existem 2 tipos de movimento simultaneamente: oscilações de partículas e propagação de perturbações. Uma onda longitudinal é uma onda mecânica cujas partículas oscilam ao longo da direção de sua propagação. Uma onda transversal é uma onda cujas partículas médias oscilam na direção de sua propagação.
Propriedades das ondas mecânicas
As perturbações em uma onda longitudinal são rarefação e compressão, e em uma onda transversal são deslocamentos (deslocamentos) de algumas camadas do meio em relação a outras. A deformação por compressão é acompanhada pelo aparecimento de forças elásticas. Neste caso, a deformação por cisalhamento está associada ao aparecimento de forças elásticas exclusivamente em sólidos. Em meios gasosos e líquidos, o deslocamento das camadas desses meios não é acompanhado pelo aparecimento da referida força. Devido às suas propriedades, as ondas longitudinais podem se propagar em qualquer meio, enquanto as ondas transversais podem se propagar apenas em sólidos.
Características das ondas na superfície dos líquidos
As ondas na superfície de um líquido não são longitudinais nem transversais. Eles têm um caráter mais complexo, chamado de longitudinal-transversal. Nesse caso, as partículas de fluido se movem em círculo ou ao longo de elipses alongadas. Os movimentos circulares das partículas na superfície de um líquido, e especialmente durante grandes oscilações, são acompanhados por seu movimento lento, mas contínuo.movendo-se na direção de propagação da onda. São essas propriedades das ondas mecânicas na água que causam o aparecimento de vários frutos do mar na praia.
Frequência de onda mecânica
Se em um meio elástico (líquido, sólido, gasoso) a vibração de suas partículas é excitada, então devido à interação entre elas, ela se propagará com uma velocidade u. Portanto, se um corpo oscilante estiver em um meio gasoso ou líquido, seu movimento começará a ser transmitido a todas as partículas adjacentes a ele. Eles envolverão os próximos no processo e assim por diante. Neste caso, absolutamente todos os pontos do meio começarão a oscilar com a mesma frequência, igual à frequência do corpo oscilante. É a frequência da onda. Em outras palavras, esse valor pode ser caracterizado como a frequência de oscilação dos pontos do meio onde a onda se propaga.
Pode não ficar imediatamente claro como esse processo ocorre. As ondas mecânicas estão associadas à transferência de energia do movimento oscilatório de sua fonte para a periferia do meio. Como resultado, surgem as chamadas deformações periódicas, que são transportadas pela onda de um ponto a outro. Nesse caso, as próprias partículas do meio não se movem junto com a onda. Eles oscilam perto de sua posição de equilíbrio. É por isso que a propagação de uma onda mecânica não é acompanhada pela transferência de matéria de um lugar para outro. As ondas mecânicas têm frequências diferentes. Portanto, eles foram divididos em faixas e criaram uma escala especial. A frequência é medida em hertz (Hz).
Fórmulas Básicas
As ondas mecânicas, cujas fórmulas de cálculo são bastante simples, são um objeto interessante de estudo. A velocidade da onda (υ) é a velocidade de seu movimento frontal (o lugar geométrico de todos os pontos a que a oscilação do meio atingiu no momento):
υ=√G/ ρ, onde ρ é a densidade do meio, G é o módulo de elasticidade.
Ao calcular, não confunda a velocidade de uma onda mecânica em um meio com a velocidade de movimento das partículas do meio que estão envolvidas no processo da onda. Assim, por exemplo, uma onda sonora no ar se propaga com uma velocidade vibracional média de suas moléculas de 10 m/s, enquanto a velocidade de uma onda sonora em condições normais é 330 m/s.
Frente de onda vem em muitas formas, sendo as mais simples:
• Esférica - causada por flutuações em um meio gasoso ou líquido. Neste caso, a amplitude da onda diminui com a distância da fonte em proporção inversa ao quadrado da distância.
• Plano - é um plano que é perpendicular à direção de propagação da onda. Ocorre, por exemplo, em um cilindro de pistão fechado quando oscila. Uma onda plana é caracterizada por uma amplitude quase constante. Sua ligeira diminuição com a distância da fonte de perturbação está associada ao grau de viscosidade do meio gasoso ou líquido.
Comprimento de onda
Sob o comprimento de onda entende-se a distância sobre a qual sua frente se moverá no tempo queigual ao período de oscilação das partículas do meio:
λ=υT=υ/v=2πυ/ω, onde T é o período de oscilação, υ é a velocidade da onda, ω é a frequência cíclica, ν é a frequência de oscilação dos pontos médios.
Como a velocidade de propagação de uma onda mecânica é completamente dependente das propriedades do meio, seu comprimento λ muda durante a transição de um meio para outro. Neste caso, a frequência de oscilação ν permanece sempre a mesma. As ondas mecânicas e eletromagnéticas são semelhantes, pois quando se propagam, a energia é transferida, mas nenhuma matéria é transferida.
