Vous pouvez imaginer ce que sont les ondes mécaniques en lançant une pierre dans l'eau. Les cercles qui y apparaissent et qui alternent creux et crêtes sont un exemple d'ondes mécaniques. Quelle est leur essence ? Les ondes mécaniques sont le processus de propagation des vibrations dans les milieux élastiques.
Ondes sur les surfaces liquides
De telles ondes mécaniques existent en raison de l'influence des forces intermoléculaires et de la gravité sur les particules d'un liquide. Les gens étudient ce phénomène depuis longtemps. Les plus notables sont les vagues de l'océan et de la mer. À mesure que la vitesse du vent augmente, ils changent et leur hauteur augmente. La forme des vagues elles-mêmes devient également plus compliquée. Dans l'océan, ils peuvent atteindre des proportions effrayantes. L'un des exemples les plus clairs de force est le tsunami qui emporte tout sur son passage.
Énergie des vagues de la mer et de l'océan
Lorsque vous atteignez le rivage, les vagues de la mer augmentent avec un changement brusque de profondeur. Ils atteignent parfois une hauteur de plusieurs mètres. À de tels moments, l'énergie cinétique d'une masse d'eau colossale est transférée aux obstacles côtiers, qui sont rapidement détruits sous son influence. La force du surf atteint parfois des valeurs grandioses.
Ondes élastiques
En mécanique, on étudie non seulement les vibrations à la surface d'un liquide, mais aussi les ondes dites élastiques. Ce sont des perturbations qui se propagent dans différents milieux sous l'action de forces élastiques en eux. Une telle perturbation est toute déviation des particules d'un milieu donné par rapport à la position d'équilibre. Un bon exemple d'ondes élastiques est une longue corde ou un tube en caoutchouc attaché à quelque chose à une extrémité. Si vous le tirez fermement, puis créez une perturbation à sa deuxième extrémité (non fixée) avec un mouvement latéral brusque, vous pouvez voir comment il « court » sur toute la longueur de la corde jusqu'au support et est réfléchi vers l'arrière.
Source d'ondes mécaniques
La perturbation initiale entraîne l'apparition d'une onde dans le milieu. Elle est causée par l'action d'un corps étranger, qui en physique est appelé la source de l'onde. Il peut s'agir de la main d'une personne balançant une corde ou d'un caillou jeté à l'eau. Dans le cas où l'action de la source est éphémère, une onde solitaire apparaît souvent dans le milieu. Lorsque le « perturbateur » effectue de longs mouvements oscillatoires, les ondes commencent à apparaître les unes après les autres.
Conditions d'apparition des ondes mécaniques
Ce type d'oscillation ne se forme pas toujours. Une condition nécessaire à leur apparition est l'apparition au moment de la perturbation du milieu de forces l'en empêchant, en particulier l'élasticité. Ils ont tendance à rapprocher les particules voisines lorsqu'elles s'éloignent et à les éloigner lorsqu'elles se rapprochent. Forces élastiques agissant à distance desource de perturbation de la particule, commencent à les déséquilibrer. Au fil du temps, toutes les particules du milieu sont impliquées dans un mouvement oscillatoire. La propagation de telles oscillations est l'onde.
Ondes mécaniques en milieu élastique
Dans une onde élastique, il y a 2 types de mouvement simultanément: les oscillations des particules et la propagation des perturbations. Une onde longitudinale est une onde mécanique dont les particules oscillent dans le sens de sa propagation. Une onde transversale est une onde dont les particules moyennes oscillent dans le sens de sa propagation.
Propriétés des ondes mécaniques
Les perturbations dans une onde longitudinale sont la raréfaction et la compression, et dans une onde transversale ce sont des décalages (déplacements) de certaines couches du milieu par rapport à d'autres. La déformation en compression s'accompagne de l'apparition de forces élastiques. Dans ce cas, la déformation de cisaillement est associée à l'apparition de forces élastiques exclusivement dans les solides. Dans les milieux gazeux et liquides, le déplacement des couches de ces milieux ne s'accompagne pas de l'apparition de la force mentionnée. En raison de leurs propriétés, les ondes longitudinales peuvent se propager dans n'importe quel milieu, tandis que les ondes transversales ne peuvent se propager que dans les solides.
Caractéristiques des ondes à la surface des liquides
Les ondes à la surface d'un liquide ne sont ni longitudinales ni transversales. Ils ont un caractère plus complexe, dit longitudinal-transversal. Dans ce cas, les particules fluides se déplacent en cercle ou le long d'ellipses allongées. Les mouvements circulaires des particules à la surface d'un liquide, et surtout lors de grandes oscillations, s'accompagnent de leur mouvement lent mais continu.se déplaçant dans le sens de la propagation des ondes. Ce sont ces propriétés des ondes mécaniques dans l'eau qui provoquent l'apparition de divers fruits de mer sur le rivage.
Fréquence d'onde mécanique
Si dans un milieu élastique (liquide, solide, gazeux) la vibration de ses particules est excitée, alors en raison de l'interaction entre elles, elle se propagera avec une vitesse u. Ainsi, si un corps oscillant se trouve dans un milieu gazeux ou liquide, son mouvement commencera à être transmis à toutes les particules qui lui sont adjacentes. Ils impliqueront les suivants dans le processus et ainsi de suite. Dans ce cas, absolument tous les points du milieu se mettront à osciller avec la même fréquence, égale à la fréquence du corps oscillant. C'est la fréquence de l'onde. En d'autres termes, cette valeur peut être caractérisée comme la fréquence d'oscillation des points du milieu où se propage l'onde.
La façon dont ce processus se déroule n'est peut-être pas immédiatement claire. Les ondes mécaniques sont associées au transfert d'énergie du mouvement oscillatoire de sa source à la périphérie du milieu. Il en résulte des déformations dites périodiques, qui sont portées par l'onde d'un point à un autre. Dans ce cas, les particules du milieu elles-mêmes ne se déplacent pas avec l'onde. Ils oscillent près de leur position d'équilibre. C'est pourquoi la propagation d'une onde mécanique ne s'accompagne pas de transfert de matière d'un endroit à un autre. Les ondes mécaniques ont des fréquences différentes. Par conséquent, ils ont été divisés en gammes et ont créé une échelle spéciale. La fréquence est mesurée en hertz (Hz).
Formules de base
Les ondes mécaniques, dont les formules de calcul sont assez simples, sont un objet intéressant à étudier. La vitesse d'onde (υ) est la vitesse de son mouvement frontal (le lieu de tous les points auxquels l'oscillation du milieu a atteint en ce moment):
υ=√G/ ρ, où ρ est la densité du milieu, G est le module d'élasticité.
Lors du calcul, ne confondez pas la vitesse d'une onde mécanique dans un milieu avec la vitesse de mouvement des particules du milieu impliquées dans le processus ondulatoire. Ainsi, par exemple, une onde sonore dans l'air se propage avec une vitesse moyenne de vibration de ses molécules de 10 m/s, alors que la vitesse d'une onde sonore dans des conditions normales est de 330 m/s.
Le front de vague se présente sous plusieurs formes, dont les plus simples sont:
• Sphérique - causée par des fluctuations dans un milieu gazeux ou liquide. Dans ce cas, l'amplitude de l'onde diminue avec la distance à la source en proportion inverse du carré de la distance.
• Flat - est un plan perpendiculaire à la direction de propagation des ondes. Cela se produit, par exemple, dans un cylindre à piston fermé lorsqu'il oscille. Une onde plane se caractérise par une amplitude quasi constante. Sa légère diminution avec l'éloignement de la source de perturbation est liée au degré de viscosité du milieu gazeux ou liquide.
Longueur d'onde
Sous la longueur d'onde on entend la distance sur laquelle son front se déplacera dans le temps queest égal à la période d'oscillation des particules du milieu:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, où T est la période d'oscillation, υ est la vitesse de l'onde, ω est la fréquence cyclique, ν est la fréquence d'oscillation des points moyens.
Comme la vitesse de propagation d'une onde mécanique dépend entièrement des propriétés du milieu, sa longueur λ change lors du passage d'un milieu à un autre. Dans ce cas, la fréquence d'oscillation ν reste toujours la même. Les ondes mécaniques et électromagnétiques sont similaires en ce sens que lorsqu'elles se propagent, l'énergie est transférée, mais aucune matière n'est transférée.
