אתם יכולים לדמיין מהם גלים מכניים על ידי זריקת אבן למים. העיגולים המופיעים עליו ומהווים שקתות ורכסים מתחלפים הם דוגמה לגלים מכניים. מה המהות שלהם? גלים מכניים הם תהליך התפשטות הרטט במדיה אלסטית.
גלים על משטחי נוזל
גלים מכניים כאלה קיימים עקב השפעת כוחות בין-מולקולריים וכוח המשיכה על חלקיקי הנוזל. אנשים חוקרים את התופעה הזו כבר הרבה זמן. הבולטים ביותר הם גלי האוקיינוס והים. ככל שמהירות הרוח עולה, הם משתנים וגובהם עולה. גם צורת הגלים עצמם הופכת מסובכת יותר. באוקיינוס הם יכולים להגיע לממדים מפחידים. אחת הדוגמאות המובהקות לכוח היא הצונאמי שסוחף את כל מה שנקרה בדרכו.
אנרגיה של גלי ים ואוקיינוס
כאשר מגיעים לחוף, גלי הים מתגברים עם שינוי חד בעומק. לפעמים הם מגיעים לגובה של כמה מטרים. ברגעים כאלה, האנרגיה הקינטית של מסה עצומה של מים מועברת למכשולים חופים, אשר נהרסים במהירות בהשפעתה. עוצמת הגלישה מגיעה לפעמים לערכים גרנדיוזיים.
גלים אלסטיים
במכניקה חוקרים לא רק רעידות על פני נוזל, אלא גם מה שנקרא גלים אלסטיים. אלו הן הפרעות שמתפשטות במדיות שונות בהשפעת כוחות אלסטיים בהן. הפרעה כזו היא כל סטייה של החלקיקים של תווך נתון ממיקום שיווי המשקל. דוגמה טובה לגלים אלסטיים היא חבל ארוך או צינור גומי המחובר למשהו בקצה אחד. אם מושכים אותו חזק, ואז יוצרים הפרעה בקצה השני (הלא מקובע) שלו בתנועה חדה צידית, אפשר לראות איך הוא "רץ" לכל אורך החבל עד לתמיכה ומשתקף בחזרה.
מקור של גלים מכניים
ההפרעה הראשונית מובילה להופעת גל במדיום. זה נגרם מפעולה של גוף זר כלשהו, שבפיזיקה נקרא מקור הגל. זו יכולה להיות יד של אדם שמניף חבל, או חלוק נחל שנזרק למים. במקרה שבו פעולת המקור היא קצרת מועד, לעתים קרובות מופיע גל בודד בתווך. כאשר ה"מפריע" עושה תנועות תנודות ארוכות, גלים מתחילים להופיע בזה אחר זה.
תנאים להופעת גלים מכניים
סוג זה של תנודה לא תמיד נוצר. תנאי הכרחי להופעתם הוא התרחשות ברגע ההפרעה של המדיום של כוחות המונעים אותו, בפרט, גמישות. הם נוטים לקרב חלקיקים שכנים זה לזה כשהם מתרחקים, ולדחוק אותם זה מזה כשהם מתקרבים זה לזה. כוחות אלסטיים הפועלים על מרוחקיםמקור ההפרעה של החלקיק, מתחילים להוציא אותם מאיזון. לאורך זמן, כל חלקיקי המדיום מעורבים בתנועת תנודה אחת. התפשטותן של תנודות כאלה היא הגל.
גלים מכניים במדיום אלסטי
בגל אלסטי, ישנם 2 סוגי תנועה בו זמנית: תנודות חלקיקים והתפשטות הפרעות. גל אורך הוא גל מכני שחלקיקיו מתנודדים לאורך כיוון התפשטותו. גל רוחבי הוא גל שחלקיקיו הבינוניים מתנודדים לרוחב כיוון התפשטותו.
מאפיינים של גלים מכניים
הפרעות בגל אורכי הן דחיסה ודחיסה, ובגל רוחבי הן תזוזות (תזוזות) של כמה שכבות של המדיום ביחס לאחרות. עיוות הדחיסה מלווה בהופעת כוחות אלסטיים. במקרה זה, דפורמציה גזירה קשורה להופעת כוחות אלסטיים אך ורק במוצקים. במדיה גזי ונוזל, הסטת שכבות המדיה הללו אינה מלווה בהופעת הכוח הנזכר. בשל תכונותיהם, גלים אורכיים יכולים להתפשט בכל אמצעי, בעוד שגלים רוחביים יכולים להתפשט רק במוצקים.
תכונות של גלים על פני השטח של נוזלים
גלים על פני נוזל אינם אורכיים או רוחביים. יש להם אופי מורכב יותר, מה שנקרא אורך-רוחבי. במקרה זה, חלקיקי הנוזל נעים במעגל או לאורך אליפסות מוארכות. התנועות המעגליות של חלקיקים על פני הנוזל, ובמיוחד במהלך תנודות גדולות, מלוות באיטיות אך מתמשכת שלהם.נע לכיוון התפשטות הגלים. תכונות אלו של גלים מכניים במים הם שגורמים להופעת פירות ים שונים על החוף.
תדר גל מכני
אם במדיום אלסטי (נוזלי, מוצק, גזי) רטט של חלקיקיו מתרגש, אז עקב האינטראקציה ביניהם, הוא יתפשט במהירות u. לכן, אם גוף מתנודד נמצא בתווך גזי או נוזלי, אז תנועתו תתחיל להיות מועברת לכל החלקיקים הסמוכים לו. הם יערבו את הבאים בתהליך וכן הלאה. במקרה זה, לחלוטין כל הנקודות של המדיום יתחילו להתנודד באותה תדר, שווה לתדר של הגוף המתנודד. זה התדר של הגל. במילים אחרות, ניתן לאפיין ערך זה כתדירות התנודה של נקודות במדיום שבו הגל מתפשט.
ייתכן שלא ברור מיד כיצד תהליך זה מתרחש. גלים מכניים קשורים להעברת אנרגיה של תנועה תנודה ממקורה לפריפריה של המדיום. כתוצאה מכך נוצרות עיוותים מחזוריים כביכול, הנישאים על ידי הגל מנקודה אחת לאחרת. במקרה זה, חלקיקי המדיום עצמם אינם זזים יחד עם הגל. הם מתנודדים ליד מיקום שיווי המשקל שלהם. לכן התפשטות גל מכני אינה מלווה בהעברת חומר ממקום למקום. לגלים מכניים יש תדרים שונים. לכן, הם חולקו לטווחים ויצרו סולם מיוחד. התדר נמדד בהרץ (הרץ).
נוסחאות בסיסיות
גלים מכניים, שנוסחאות החישוב שלהם פשוטות למדי, הם אובייקט מעניין ללימוד. מהירות הגל (υ) היא מהירות התנועה הקדמית שלו (המקום של כל הנקודות שאליהן הגיעה תנודת המדיום כרגע):
υ=√G/ ρ, כאשר ρ היא הצפיפות של המדיום, G הוא מודול האלסטיות.
בעת חישוב, אין לבלבל בין מהירות של גל מכני בתווך למהירות התנועה של חלקיקי התווך המעורבים בתהליך הגל. כך, למשל, גל קול באוויר מתפשט במהירות רטט ממוצעת של המולקולות שלו של 10 מ"ש, בעוד שמהירותו של גל קול בתנאים רגילים היא 330 מ"ש.
חזית גל מגיעה בצורות רבות, הפשוטות שבהן הן:
• כדורית - נגרמת על ידי תנודות בתווך גזי או נוזלי. במקרה זה, משרעת הגל יורדת עם המרחק מהמקור ביחס הפוך לריבוע המרחק.
• שטוח - הוא מישור הניצב לכיוון התפשטות הגל. זה מתרחש, למשל, בגליל בוכנה סגור כאשר הוא מתנודד. גל מישור מאופיין באמפליטודה כמעט קבועה. הירידה הקלה שלו עם המרחק ממקור ההפרעה קשורה למידת הצמיגות של המדיום הגזי או הנוזלי.
אורך גל
מתחת לאורך הגל מובן המרחק שבו תנוע החזית שלו בזמןשווה לתקופת התנודה של חלקיקי המדיום:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, כאשר T היא תקופת התנודה, υ היא מהירות הגל, ω היא התדר המחזורי, ν היא תדר התנודה של הנקודות הבינוניות.
מכיוון שמהירות ההתפשטות של גל מכני תלויה לחלוטין בתכונות המדיום, אורכו λ משתנה במהלך המעבר מתווך אחד למשנהו. במקרה זה, תדר התנודה ν תמיד נשאר זהה. גלים מכניים ואלקטרומגנטיים דומים בכך שכאשר הם מתפשטים, אנרגיה מועברת, אך לא מועבר חומר.
