Mund të imagjinoni se çfarë janë valët mekanike duke hedhur një gur në ujë. Rrathët që shfaqen në të dhe janë koritë dhe kreshta të alternuara janë një shembull i valëve mekanike. Cili është thelbi i tyre? Valët mekanike janë procesi i përhapjes së dridhjeve në media elastike.
Valët në sipërfaqe të lëngshme
Valët e tilla mekanike ekzistojnë për shkak të ndikimit të forcave ndërmolekulare dhe gravitetit në grimcat e një lëngu. Njerëzit e kanë studiuar këtë fenomen për një kohë të gjatë. Më të dukshmet janë valët e oqeanit dhe detit. Me rritjen e shpejtësisë së erës, ato ndryshojnë dhe lartësia e tyre rritet. Forma e vetë valëve bëhet gjithashtu më e ndërlikuar. Në oqean, ato mund të arrijnë përmasa të frikshme. Një nga shembujt më të qartë të forcës është cunami që fshin gjithçka në rrugën e tij.
Energjia e valëve të detit dhe oqeanit
Kur mbërrin në breg, valët e detit rriten me një ndryshim të mprehtë në thellësi. Ata ndonjëherë arrijnë një lartësi prej disa metrash. Në momente të tilla, energjia kinetike e një mase kolosale uji transferohet në pengesat bregdetare, të cilat shkatërrohen shpejt nën ndikimin e saj. Forca e sërfit ndonjëherë arrin vlera madhështore.
Valët elastike
Në mekanikë studiohen jo vetëm dridhjet në sipërfaqen e një lëngu, por edhe të ashtuquajturat valë elastike. Këto janë perturbacione që përhapen në media të ndryshme nën veprimin e forcave elastike në to. Një shqetësim i tillë është çdo devijim i grimcave të një mjedisi të caktuar nga pozicioni i ekuilibrit. Një shembull i mirë i valëve elastike është një litar i gjatë ose tub gome i lidhur me diçka në një skaj. Nëse e tërhiqni fort dhe më pas krijoni një shqetësim në skajin e dytë (të pafiksuar) me një lëvizje të mprehtë anësore, mund të shihni se si ai "vrapon" përgjatë gjithë gjatësisë së litarit deri te mbështetësi dhe reflektohet mbrapa.
Burimi i valëve mekanike
Shqetësimi fillestar çon në shfaqjen e një valë në medium. Shkaktohet nga veprimi i disa trupave të huaj, i cili në fizikë quhet burim i valës. Mund të jetë dora e një personi që lëkundet një litar, ose një guralec i hedhur në ujë. Në rastin kur veprimi i burimit është jetëshkurtër, shpesh shfaqet një valë e vetmuar në medium. Kur "shqetësuesi" bën lëvizje të gjata osciluese, valët fillojnë të shfaqen njëra pas tjetrës.
Kushtet për shfaqjen e valëve mekanike
Ky lloj lëkundjeje nuk formohet gjithmonë. Një kusht i domosdoshëm për shfaqjen e tyre është shfaqja në momentin e shqetësimit të mediumit të forcave që e pengojnë atë, në veçanti elasticiteti. Ata priren t'i afrojnë grimcat fqinje kur ato largohen, dhe i largojnë ato nga njëra-tjetra kur i afrohen njëra-tjetrës. Forcat elastike që veprojnë në largësi ngaburimi i shqetësimit të grimcave, fillojnë t'i nxjerrin ato jashtë ekuilibrit. Me kalimin e kohës, të gjitha grimcat e mediumit përfshihen në një lëvizje osciluese. Përhapja e lëkundjeve të tilla është vala.
Valët mekanike në një mjedis elastik
Në një valë elastike, ekzistojnë 2 lloje lëvizjesh njëkohësisht: lëkundjet e grimcave dhe përhapja e shqetësimeve. Një valë gjatësore është një valë mekanike, grimcat e së cilës lëkunden përgjatë drejtimit të përhapjes së saj. Një valë tërthore është një valë, grimcat e mesme të së cilës lëkunden përgjatë drejtimit të përhapjes së saj.
Vetitë e valëve mekanike
Perturbimet në një valë gjatësore janë rrallim dhe ngjeshje, dhe në një valë tërthore ato janë zhvendosje (zhvendosje) e disa shtresave të mediumit në raport me të tjerat. Deformimi i ngjeshjes shoqërohet me shfaqjen e forcave elastike. Në këtë rast, deformimi i prerjes shoqërohet me shfaqjen e forcave elastike ekskluzivisht në trupat e ngurtë. Në mediat e gazta dhe të lëngëta, zhvendosja e shtresave të këtyre mediave nuk shoqërohet me shfaqjen e forcës së përmendur. Për shkak të vetive të tyre, valët gjatësore mund të përhapen në çdo media, ndërsa valët tërthore mund të përhapen vetëm në trupa të ngurtë.
Veçoritë e valëve në sipërfaqen e lëngjeve
Valët në sipërfaqen e një lëngu nuk janë as gjatësore as tërthore. Ata kanë një karakter më kompleks, të ashtuquajturin karakter gjatësor-transversal. Në këtë rast, grimcat e lëngshme lëvizin në një rreth ose përgjatë elipseve të zgjatura. Lëvizjet rrethore të grimcave në sipërfaqen e një lëngu, dhe veçanërisht gjatë lëkundjeve të mëdha, shoqërohen nga ato të ngad alta, por të vazhdueshme.duke lëvizur në drejtim të përhapjes së valës. Janë këto veti të valëve mekanike në ujë që shkaktojnë shfaqjen e produkteve të ndryshme deti në breg.
Frekuenca e valëve mekanike
Nëse në një mjedis elastik (të lëngët, të ngurtë, të gaztë) vibrimi i grimcave të tij ngacmohet, atëherë për shkak të bashkëveprimit midis tyre, ajo do të përhapet me një shpejtësi u. Pra, nëse një trup lëkundës është në një mjedis të gaztë ose të lëngshëm, atëherë lëvizja e tij do të fillojë të transmetohet në të gjitha grimcat ngjitur me të. Ata do të përfshijnë të tjerët në proces e kështu me radhë. Në këtë rast, absolutisht të gjitha pikat e mediumit do të fillojnë të lëkunden me të njëjtën frekuencë, e barabartë me frekuencën e trupit lëkundës. Është frekuenca e valës. Me fjalë të tjera, kjo vlerë mund të karakterizohet si frekuenca e lëkundjeve të pikave në mjedisin ku përhapet vala.
Mund të mos jetë menjëherë e qartë se si ndodh ky proces. Valët mekanike shoqërohen me transferimin e energjisë së lëvizjes osciluese nga burimi i saj në periferi të mediumit. Si rezultat, lindin të ashtuquajturat deformime periodike, të cilat barten nga vala nga një pikë në tjetrën. Në këtë rast, vetë grimcat e mediumit nuk lëvizin së bashku me valën. Ato luhaten pranë pozicionit të tyre të ekuilibrit. Kjo është arsyeja pse përhapja e një vale mekanike nuk shoqërohet me transferimin e lëndës nga një vend në tjetrin. Valët mekanike kanë frekuenca të ndryshme. Prandaj, ata u ndanë në vargje dhe krijuan një shkallë të veçantë. Frekuenca matet në herc (Hz).
Formulat bazë
Valët mekanike, formulat e llogaritjes së të cilave janë mjaft të thjeshta, janë një objekt interesant për t'u studiuar. Shpejtësia e valës (υ) është shpejtësia e lëvizjes së saj të përparme (lokusi i të gjitha pikave në të cilat ka arritur lëkundja e mediumit në këtë moment):
υ=√G/ ρ, ku ρ është dendësia e mediumit, G është moduli i elasticitetit.
Kur llogaritni, mos e ngatërroni shpejtësinë e valës mekanike në një mjedis me shpejtësinë e lëvizjes së grimcave të mediumit që përfshihen në procesin e valës. Kështu, për shembull, një valë zanore në ajër përhapet me një shpejtësi mesatare vibruese të molekulave të saj prej 10 m/s, ndërsa shpejtësia e një valë zanore në kushte normale është 330 m/s.
Përparimi i valës vjen në shumë forma, më të thjeshtat prej të cilave janë:
• Sferike - e shkaktuar nga luhatjet në një mjedis të gaztë ose të lëngët. Në këtë rast, amplituda e valës zvogëlohet me distancën nga burimi në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës.
• E sheshtë - është një rrafsh që është pingul me drejtimin e përhapjes së valës. Ndodh, për shembull, në një cilindër pistoni të mbyllur kur ai lëkundet. Një valë e rrafshët karakterizohet nga një amplitudë pothuajse konstante. Rënia e tij e lehtë me distancën nga burimi i shqetësimit shoqërohet me shkallën e viskozitetit të mediumit të gaztë ose të lëngët.
Gjatesia valore
Nën gjatësinë e valës kuptohet distanca mbi të cilën do të lëvizë pjesa e përparme e saj në kohën qëështë e barabartë me periudhën e lëkundjes së grimcave të mediumit:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, ku T është periudha e lëkundjes, υ është shpejtësia e valës, ω është frekuenca ciklike, ν është frekuenca e lëkundjeve të pikave mesatare.
Meqenëse shpejtësia e përhapjes së një vale mekanike varet plotësisht nga vetitë e mediumit, gjatësia e saj λ ndryshon gjatë kalimit nga një medium në tjetrin. Në këtë rast, frekuenca e lëkundjeve ν mbetet gjithmonë e njëjtë. Valët mekanike dhe elektromagnetike janë të ngjashme në atë që kur përhapen, energjia transferohet, por asnjë lëndë nuk transferohet.
