VIRSMAS VIĻŅI: RAKSTURLIELUMI, VEIDI UN PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Virsmas viļņi ir tādi, kuros vibrējošajām daļiņām ir kustība divās dimensijās, piemēram, viļņi, kas rodas, akmenim nokrītot dīķī vai ezerā.

Šāda veida viļņi rodas saskarnē starp diviem dažādiem medijiem, piemēram, okeānu un gaisu, vai starp Zemes virsmu un gaisu. Tie ir viļņi, kuros daļiņas piedzīvo šķērsvirzienu apvienojumā ar garenvirziena pārvietojumiem, tas ir, divdimensiju.

1. attēls. Virsmas viļņi dīķī. Avots: Pixabay.

Piemēram, ūdens daļiņas uz okeāna virsmas - viļņi - pārvietojas apļveida ceļos. Kad viļņi sabojājas krastā, dominē garenvirziena nobīdes, un tāpēc jūraszāles vai peldošs koka gabals tiek novērots vienmērīgi pārvietojamies no priekšpuses uz aizmuguri.

Viļņi arī pārvietojas uz Zemes virsmas līdzīgā veidā kā okeāna viļņi. Viņi pārvietojas lēnāk nekā viļņi, kas iekšēji pārvietojas pa zemes tilpumu, bet tie vieglāk var izraisīt rezonansi ēkās.

Tā kā viļņi rada vibrācijas un nes enerģiju, tiem ir destruktīva ietekme zemestrīču laikā.

2. attēls. Virszemes viļņi okeānā. Ūdens daļiņas pārvietojas pulksteņrādītāja virzienā, kad viļņa kustība notiek no kreisās uz labo pusi. Augstākajā punktā tie atrodas uz viļņa robežas, bet zemāko punktu sauc par kanālu. Kreisās figūras avots: F. Zapata. Labās figūras avots: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2. Izdevums. Makgreiva kalns.

Virsmas viļņu veidi

Jebkura veida viļņi, gan virspusēji, gan ne, ir viļņu vienādojuma risinājums, kas attiecas uz gandrīz jebkura veida viļņu kustību, ne tikai mehānisku, kā aprakstīts piemēros, bet arī uz elektromagnētiskiem viļņiem, kas ir dažāda veida viļņi, jo tie ir šķērseniski.

Viļņu vienādojums, kas iegūts, ņemot vērā Ņūtona otro likumu, ir rakstīts šādi:

Iepriekš minētajā vienādojumā u ir viļņa funkcija, kas ir atkarīga no trim telpiskajām koordinātām x, y un z plus laiks t: u = u (x, y, z, t). Turklāt v ir traucējumu ātrums. Viļņu vienādojumu var noteikt citās koordinātu sistēmās atkarībā no nepieciešamās ģeometrijas.

Lai rastu vienādojuma risinājumu, tas tiek pielāgots problēmas apstākļiem, kuros, piemēram, tiek noteikta ģeometrija un noteiktas tās vides īpašības, caur kuru notiek traucējumu pārvietošanās.

Ir daudz veidu viļņu, piemēram:

-Gravitācijas viļņi (gravitācijas viļņi), piemēram, sākumā aprakstītie okeāna viļņi, kuros gravitācija nodrošina atjaunojošu spēku, kas ļauj šķērsot kustību.

- Virsma uzbriest dīķī, šeit ir ūdens virsmas spraigums, kas darbojas kā atjaunojošs spēks.

-Virsmas elastīgie viļņi, kas zemestrīces laikā pārvietojas uz Zemes virsmas.

-Elektromagnētiskos viļņus, kas, neskatoties uz to, ka tie ir šķērseniski, var pareizi vadīt, lai pārvietotos pa virsmu.

-Dažu veidu viļņi, kas rodas ģitāras stīgas laikā, kad stīgas tiek notriektas ar spēku.

Virspusēji elastīgi viļņi uz zemes virsmas

Virszemes vilnis uz zemes virsmas. Daļiņu kustība ir šķērsvirziena un garenisko pārvietojumu kombinācija. Avots: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2. Izdevums. Makgreiva kalns.

Atrisinot viļņu vienādojumu, risinājumi, kā jau teicām, atbilst dažāda veida viļņiem. Kad traucējumi pārvietojas cietā vidē, piemēram, zemes garozā, par to ir iespējams izdarīt dažus pieņēmumus, kas vienkāršo procesu.

Šī iemesla dēļ barotne tiek uzskatīta par pilnīgi elastīgu, viendabīgu un izotropisku, kas nozīmē, ka tās īpašības ir vienādas neatkarīgi no stāvokļa vai virziena.

Ņemot to vērā, divi no viļņu vienādojuma risinājumiem elastīgā vidē atbilst virsmas viļņiem:

- Railejas viļņi, nosaukti pēc lorda Raileiga (1842–1919), britu fiziķa, kurš tos aprakstīja vispirms.

-Mīlestības viļņi, autors: Augustus Love, britu ģeofiziķis un matemātiķis (1863–1940), kurš savos darbos par elastību izstrādāja šo viļņu teoriju.

Seismiskos šos viļņus sauc par L viļņiem, lai tos atšķirtu no P un S viļņiem, kurus abus uzskata par tilpuma viļņiem (ķermeņa viļņiem), kas ir arī risinājums viļņu vienādojumam ar iepriekš aprakstītajiem apstākļiem. P viļņi ir gareniski, un S viļņi ir šķērseniski.

Virsmas viļņu piemēri

Reilija viļņi

Raileigh viļņā viļņu frontes daļiņas vibrē vertikālā plaknē, tāpēc tiek uzskatīts, ka tās ir vertikāli polarizētas. Daļiņas pārvietojas elipsē atšķirībā no viļņiem uz okeāna virsmas, kuru kustība ir apļveida, kā teikts sākumā (lai arī krasta tuvumā tās ir diezgan eliptiskas).

Elipses galvenā ass ir vertikāla, un mazākā ass seko izplatīšanās virzienam, kā parādīts attēlā. Tur arī tiek atzīmēts, ka kustība ir atpakaļejoša, tas ir, tā tiek veikta pretēji pulksteņrādītāja virzienam.

4. attēls. Reilija vilnis. Avots: Lowrie, W. 2007. Ģeofizikas pamati. 2. Izdevums. Cambridge University Press.

Vēl viena būtiska atšķirība no ūdens viļņiem ir tāda, ka Raileigh viļņi var izplatīties tikai cietā vidē, jo pastāv bīdes spēks, kas nerodas šķidrumos.

Daļiņu pārvietojuma amplitūda samazinās eksponenciāli līdz ar dziļumu, jo vilnis ir ierobežots tikai ar virsmu, lai gan, ja tā ir augstas intensitātes zemestrīce, viļņi vairākas reizes var apņemt Zemi pirms pilnīgas izbalēšanas .

Mīlestības viļņi

Mīlestības viļņos daļiņas ir horizontāli polarizētas un tām ir liela kustības amplitūda paralēli virsmai. Viņi pārvietojas ar nedaudz mazāku ātrumu nekā Raileigh viļņi, lai gan ātrums šāda veida viļņos ir atkarīgs no viļņa garuma (izkliedējošais vilnis).

Lai šie viļņi izplatītos, jābūt vismaz viena ātruma slānim, kas vismaz viena slāņa vidū ir uzvilkts. Līdzīgi kā Raileigh viļņi, arī Zemestrīces laikā radušies Mīlestības viļņi var vairākas reizes apņemt Zemi, pirms viņi izkliedē savu enerģiju.

5. attēls. Mīlestības viļņi. Avots: Wikimedia Commons. Nikoguaro

Zeme ruļļa

Ierasts, ka seismiskās izpētes ierakstos atrodams šis Reilija viļņu variants, ko sauc par zemes ritējumu. Tas tiek uzskatīts par troksni un no tā jāizvairās, jo lielā amplitūdas dēļ tas dažreiz maskē pārdomas, kuras jūs redzat.

Okeāna viļņi

Lielā dziļumā okeāna viļņi ir gareniski viļņi, tāpat kā skaņas viļņi. Tas nozīmē, ka tā izplatīšanās virziens ir tāds pats kā daļiņu vibrācijas virziens.

Tomēr vilnim, kas atrodas netālu no virsmas, ir gan garenvirziena, gan šķērsvirziena komponenti, liekot daļiņām iet gandrīz apļveida ceļu (skat. 2. attēlu pa labi).

6. attēls. Okeāna viļņi ir virsmas viļņi. Avots: Pixabay.

Atsauces

1. Figueroa, D. 2005. Viļņu un kvantu fizika. Fizikas sērija zinātnei un inženierijai. Rediģēja D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fizika. Makgreiva kalns.
3. Lowrie, W. 2007. Ģeofizikas pamati. 2. Izdevums. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Mīlestības viļņi. Atgūts no: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Reilija viļņi. Atgūts no: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Virsmas viļņi. Atgūts no: en.wikipedia.org.