POVRŠINSKI VALOVI: KARAKTERISTIKE, VRSTE I PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Površinski valovi su oni u kojima vibrirajuće čestice imaju gibanje u dvije dimenzije, poput valova koji nastaju kada kamen padne u ribnjak ili jezero.

Ova vrsta vala pojavljuje se na sučelju između dva različita medija, poput oceana i zraka, ili između površine Zemlje i zraka. To su valovi u kojima čestice doživljavaju poprečno u kombinaciji s uzdužnim pomacima, to jest dvodimenzionalno.

Slika 1. Površinski valovi u ribnjaku. Izvor: Pixabay.

Na primjer, vodene čestice na oceanskoj površini - valovi - kreću se kružnim putovima. Kad se valovi razbiju na obali, prevladavaju uzdužni pomaci i zato se vide morske trave ili komad drva koji pluta kako se nesmetano kreću s prednje strane natrag.

Valovi se također kreću po Zemljinoj površini na način analogan oceanima. Oni putuju sporijom brzinom od valova koji se unutar Zemlje kreću kroz volumen Zemlje, ali oni mogu lakše izazvati rezonancu u zgradama.

Budući da valovi proizvode vibracije i nose energiju, oni imaju pogubne učinke tijekom potresa.

Slika 2. Površinski valovi u oceanu. Čestice vode kreću se u smjeru kazaljke na satu kada je gibanje vala s lijeva na desno. U najvišoj se točki nalaze na grebenu vala, dok se najniža točka naziva kanal. Izvor lijeve figure: F. Zapata. Pravi izvor figure: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Izdanje. McGraw Hill.

Vrste površinskih valova

Bilo koja vrsta vala, površna ili ne, rješenje je valne jednadžbe koja se primjenjuje na gotovo bilo koju vrstu valnog gibanja, ne samo mehaničku kao što su opisani primjeri, već i elektromagnetske valove koji su različite vrste valova koliko su poprečne.

Valna jednadžba koja se dobiva uzimajući u obzir Newtonov drugi zakon napisana je ovako:

U gornjoj jednadžbi u je valna funkcija koja ovisi o tri prostorne koordinate x, y i z plus vremenu t: u = u (x, y, z, t). Nadalje je v brzina poremećaja. Jednadžba valova može se navesti u drugim koordinatnim sustavima, ovisno o potrebnoj geometriji.

Da bi se pronašlo rješenje jednadžbe, prilagođava se problemnim uvjetima u kojima je, na primjer, geometrija ograničena i svojstva medija kroz koji se smetnja kreće.

Postoje mnoge vrste površinskih valova kao što su:

-Gravitacijski valovi (gravitacijski valovi) poput okeanskih valova opisanih u početku, u kojima gravitacija pruža obnavljavajuću silu koja omogućava poprečno kretanje.

-Površina bubri u bazenu, ovdje je površinska napetost vode koja djeluje kao obnavljavajuća sila.

- površinski elastični valovi koji se kreću po Zemljinoj površini tijekom potresa.

-Elektromagnetski valovi koji se, iako su poprečni, mogu pravilno voditi kretanjem po površini.

-Neke vrste valova koji se stvaraju u žicama gitare kada žice udaraju silom.

Površinski elastični valovi na zemljinoj površini

Slika 3. Površinski val na zemljinoj površini. Kretanje čestica je kombinacija poprečnih i uzdužnih pomaka. Izvor: Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Izdanje. McGraw Hill.

Pri rješavanju valne jednadžbe rješenja, kao što smo rekli, odgovaraju različitim tipovima valova. Kada se smetnje kreću u čvrstom mediju, poput zemljine kore, moguće je iznijeti neke pretpostavke o tome koje pojednostavljuju postupak.

Iz tog razloga, medij se smatra savršeno elastičnim, homogenim i izotropnim, što znači da su njegova svojstva ista, bez obzira na položaj ili smjer.

Imajući to u vidu, dva rješenja valne jednadžbe u elastičnom mediju odgovaraju površinskim valovima:

- Waves of Rayleigh, nazvan po lordu Rayleighu (1842-1919), britanskom fizičaru koji ih je prvi opisao.

-Valovi ljubavi, Augustus Love, britanski geofizičar i matematičar (1863-1940) koji je u svojim radovima o elastičnosti razvio teoriju tih valova.

U seizmičkim karakteristikama ti se valovi nazivaju L valovi, da bi se razlikovali od P talasa i S valova, a oba se smatraju volumenskim valovima (tjelesnim valovima) koji su također rješenje valne jednadžbe s gore opisanim uvjetima. P valovi su uzdužni, a S valovi poprečni.

Primjeri površinskih valova

Rayleigh valovi

U Rayleighovu valu čestice valnog fronta vibriraju u vertikalnoj ravnini, pa se kaže da su vertikalno polarizirane. Čestice se kreću u elipsi, za razliku od valova na površini oceana, čije je kretanje kružno, kao što je rečeno na početku (iako su blizu obale prilično eliptične).

Glavna os elipse je okomita, a manja os slijedi smjer širenja, kao što je prikazano na slici. Tamo se također primjećuje da je pokret retrogradan, odnosno da se izvodi u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.

Slika 4. Rayleigh val. Izvor: Lowrie, W. 2007. Osnove geofizike. 2.. Izdanje. Cambridge University Press.

Druga važna razlika kod vodenih valova je da Rayleigh valovi mogu širiti samo u čvrstim medijima, budući da postoji smicarska sila koja se ne pojavljuje u tekućinama.

Amplituda pomicanja čestice eksponencijalno opada s dubinom, budući da je val ograničen na površinu, iako je to potres jakog intenziteta, valovi mogu nekoliko puta kružiti Zemljom prije nego što u potpunosti nestanu,

Valovi ljubavi

U ljubavnim valovima čestice su vodoravno polarizirane i imaju veliku amplitudu gibanja paralelnih s površinom. Pomiču se malo sporijom brzinom od Rayleighovih valova, iako brzina kod ovih vrsta valova ovisi o valnoj duljini (disperzivni val).

Da bi se ti talasi mogli širiti, mora postojati sloj male brzine na sredini barem jednog sloja veće brzine u sredini. Kao i Rayleigh valovi, Ljubavni valovi proizvedeni tijekom zemljotresa mogu kružiti Zemljom nekoliko puta prije nego što rasprše svoju energiju.

Slika 5. Valovi ljubavi. Izvor: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Zemljani valjak

Uobičajeno je pronaći ovu varijantu Rayleighovih valova, zvanu ground roll, u zapisima o seizmičkim istraživanjima. Smatra se šumom i mora ga se izbjegavati, jer zbog svoje velike amplitude ponekad maskira refleksije koje tražite.

Oceanski valovi

Na velikoj dubini, oceanski valovi su uzdužni valovi, poput zvučnih. To znači da je njegov smjer širenja isti kao smjer u kojem čestice vibriraju.

Međutim, val, blizu površine, ima i uzdužne i poprečne komponente, zbog čega čestice slijede gotovo kružni put (vidi sliku 2. desno).

Slika 6. Okeanski valovi su površinski valovi. Izvor: Pixabay.

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Valovi i kvantna fizika. Serija fizika za znanost i inženjerstvo. Uredio D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fizika. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Osnove geofizike. 2.. Izdanje. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Valovi ljubavi. Oporavilo sa: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh valovi. Oporavilo sa: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Površinski valovi. Oporavilo sa: en.wikipedia.org.