Propagación de vibraciones en un medio elástico. Ondas longitudinales y transversales. Lección de física "Propagación de vibraciones en un medio. Ondas"

Ola Son vibraciones que se propagan en el espacio a lo largo del tiempo. Para la aparición y propagación de ondas son necesarias las siguientes condiciones: una fuente de oscilaciones y un medio elástico.

Hay dos tipos de ondas: transversales y longitudinales. Transverso Se llama onda en la que las partículas oscilan perpendicularmente (es decir, a través de) la dirección de propagación de la onda. Longitudinal Se llama onda en la que las partículas oscilan en la dirección (es decir, a lo largo) de la propagación de la onda.

Características del proceso oscilatorio:

1. Desplazamiento: desviación de un punto oscilante de su posición de equilibrio en un momento dado (m).

2. Amplitud: el mayor desplazamiento desde la posición de equilibrio (m).

3. Período t– tiempo durante el cual se produce una oscilación completa.

4. Frecuencia: el número de oscilaciones completas por unidad de tiempo (Hz, s -1).

5. Frecuencia cíclica (circular): el número de oscilaciones completas por unidad de tiempo (segundos) ().

6. La fase de oscilación es una cantidad física que determina el desplazamiento en un momento dado ( contento). La fase de oscilaciones en el momento inicial del tiempo se llama fase inicial.

Vibraciones armónicas – fluctuaciones en las que los cambios cantidades fisicas ocurre según la ley del seno o del coseno (ley armónica).

o , .

Amplitud de las oscilaciones, - frecuencia de las oscilaciones, - fases iniciales de las oscilaciones, - fase de oscilación.

Vibraciones forzadas– oscilaciones no amortiguadas del sistema, que son causadas por la acción de una fuerza periódica externa.

Resonancia– el fenómeno del aumento de la amplitud de la oscilación a medida que la frecuencia de la fuerza motriz se acerca a la frecuencia de las oscilaciones forzadas.

Tipos de procesos ondulatorios: ondas mecánicas, ondas electromagnéticas (a diferencia de las ondas mecánicas, pueden propagarse en el vacío).

Péndulo matemático - un punto material suspendido de un hilo ingrávido e inextensible.

Péndulo de primavera. .

Sonido – movimiento oscilatorio Partículas de un medio elástico que se propagan en forma de ondas.

En olas Son cualquier perturbación en el estado de la materia o de un campo que se propaga en el espacio a lo largo del tiempo.

Mecánico Se llaman ondas que surgen en medios elásticos, es decir. en entornos en los que surgen fuerzas que impiden:

1) deformación por tracción (compresión);

2) deformación por corte.

En el primer caso hay onda longitudinal, en el que las vibraciones de las partículas del medio se producen en la dirección de propagación de las vibraciones. Las ondas longitudinales pueden propagarse en cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos, porque están asociados con la aparición de fuerzas elásticas al cambiar volumen.

En el segundo caso, en el espacio hay onda transversal, en el que las partículas del medio vibran en direcciones perpendiculares a la dirección de propagación de las vibraciones. Las ondas transversales sólo pueden propagarse en sólidos, porque asociado con la aparición de fuerzas elásticas al cambiar formas cuerpos.

Si algún cuerpo oscila en un medio elástico, afecta a las partículas del medio adyacente a él y las obliga a realizar oscilaciones forzadas. El medio cercano al cuerpo oscilante se deforma y en él surgen fuerzas elásticas. Estas fuerzas actúan sobre las partículas del medio cada vez más alejadas del cuerpo, sacándolas de su posición de equilibrio. Con el tiempo, un número cada vez mayor de partículas del medio quedan involucradas en el movimiento oscilatorio.

Los fenómenos de ondas mecánicas son de gran importancia para la vida cotidiana. Por ejemplo, debido a las ondas sonoras causadas por la elasticidad. ambiente, podemos escuchar. Estas ondas en gases o líquidos representan fluctuaciones de presión que se propagan a través del medio. Como ejemplos ondas mecánicas También se pueden citar: 1) olas en la superficie del agua, donde la conexión de secciones adyacentes de la superficie del agua no es causada por la elasticidad, sino por las fuerzas de gravedad y tensión superficial; 2) ondas expansivas de explosiones de proyectiles; 3) ondas sísmicas - vibraciones en corteza terrestre, extendiéndose desde el lugar del terremoto.

La diferencia entre ondas elásticas y cualquier otro movimiento ordenado de partículas del medio es que la propagación de oscilaciones no está asociada a la transferencia de materia de un lugar a otro a largas distancias.

La ubicación geométrica de los puntos a los que llegan las oscilaciones en un determinado momento se llama frente ondas. El frente de onda es la superficie que separa la parte del espacio que ya está involucrada en el proceso ondulatorio de la región en la que aún no se han producido oscilaciones.

La ubicación geométrica de puntos que oscilan en la misma fase se llama superficie de onda. La superficie de la onda se puede dibujar a través de cualquier punto del espacio cubierto por el proceso ondulatorio. Por tanto, existen superficies onduladas. conjunto infinito, si bien solo hay un frente de onda en un momento dado, se mueve todo el tiempo. La forma del frente puede ser diferente según la forma y el tamaño de la fuente de oscilaciones y las propiedades del medio.

En el caso de un medio homogéneo e isotrópico, las ondas esféricas se propagan desde una fuente puntual, es decir El frente de onda en este caso es una esfera. Si la fuente de oscilaciones es un plano, entonces cerca de él cualquier parte del frente de onda difiere poco de parte del plano, por lo que las ondas con tal frente se llaman plano.

Supongamos que con el tiempo alguna sección del frente de onda se ha movido. Magnitud

se llama velocidad de propagación del frente de onda o velocidad de fase olas en este lugar.

Una recta cuya tangente en cada punto coincide con la dirección de la onda en ese punto, es decir con la dirección de transferencia de energía se llama haz. En un medio isotrópico homogéneo, el haz es recto, perpendicular al frente de onda.

Las oscilaciones de una fuente pueden ser tanto armónicas como no armónicas. En consecuencia, las ondas parten de la fuente. monocromo Y no monocromático. Una onda no monocromática (que contiene oscilaciones de diferentes frecuencias) se puede descomponer en ondas monocromáticas (cada una de las cuales contiene oscilaciones de la misma frecuencia). Una onda monocromática (sinusoidal) es una abstracción: dicha onda debe extenderse infinitamente en el espacio y el tiempo.

Para entender cómo se propagan las vibraciones en un medio, comencemos desde lejos. ¿Alguna vez te has relajado en la orilla del mar, viendo las olas rodar metódicamente sobre la arena? Una vista maravillosa, ¿no? Pero además del placer, puedes encontrar algún beneficio en este espectáculo, si piensas y razonas un poco. Razonemos también para beneficiar nuestra mente.

¿Qué son las olas?

Generalmente se acepta que las olas son el movimiento del agua. Surgen como consecuencia del viento que sopla sobre el mar. Pero resulta que si las olas son el movimiento del agua, entonces el viento que sopla en una dirección debería, en algún tiempo, simplemente empujar la mayor parte del agua del mar de un extremo al otro. Y luego, en algún lugar, digamos, frente a la costa de Turquía, el agua se alejaría varios kilómetros de la costa y habría una inundación en Crimea.

Y si dos vientos diferentes soplan sobre el mismo mar, en algún lugar podrían crear un enorme agujero en el agua. Sin embargo, esto no sucede. Por supuesto, durante los huracanes se producen inundaciones en las zonas costeras, pero el mar simplemente estrella sus olas contra la orilla, cuanto más altas están, pero no se mueve.

De lo contrario, los mares podrían seguir viajando por todo el planeta junto con los vientos. Por tanto, resulta que el agua no se mueve con las olas, sino que permanece en su lugar. ¿Qué son entonces las olas? ¿Cuál es su naturaleza?

¿La propagación de las oscilaciones son ondas?

Las oscilaciones y las ondas se enseñan en el curso de física de noveno grado en un solo tema. Es lógico suponer entonces que se trata de dos fenómenos de la misma naturaleza, que están conectados. Y esto es absolutamente cierto. La propagación de vibraciones en un medio son ondas.

Es muy fácil ver esto claramente. Ata un extremo de la cuerda a algo fijo, estira el otro extremo y luego agítalo ligeramente.

Verás olas corriendo a lo largo de la cuerda de tu mano. Al mismo tiempo, la cuerda en sí no se aleja de ti, sino que oscila. Las vibraciones de la fuente se propagan a lo largo de ella y la energía de estas vibraciones se transmite.

Por eso las olas arrojan objetos a la orilla y caen con fuerza; ellas mismas transmiten energía; Sin embargo, la sustancia en sí no se mueve. El mar permanece en el lugar que le corresponde.

Ondas longitudinales y transversales.

Hay ondas longitudinales y transversales. Las ondas en las que se producen oscilaciones en la dirección de su propagación se denominan longitudinal. A transverso Las ondas son ondas que se propagan perpendicularmente a la dirección de vibración.

¿Qué tipo de olas crees que tenían la cuerda o las olas del mar? En nuestro ejemplo de cuerda estaban presentes ondas transversales. Nuestras vibraciones se dirigieron hacia arriba y hacia abajo y la onda se propagó a lo largo de la cuerda, es decir, perpendicularmente.

Para obtener ondas longitudinales en nuestro ejemplo, necesitamos reemplazar la cuerda con un cordón de goma. Después de tirar del cable hasta dejarlo inmóvil, debe estirarlo con los dedos en un lugar determinado y soltarlo. La sección estirada de la cuerda se acortará, pero la energía de este estiramiento y contracción se transmitirá a lo largo de la cuerda durante algún tiempo en forma de vibraciones.

Presentamos a su atención una lección en video sobre el tema “Propagación de vibraciones en un medio elástico. Ondas longitudinales y transversales." En esta lección estudiaremos cuestiones relacionadas con la propagación de vibraciones en un medio elástico. Aprenderás qué es una onda, cómo aparece y cómo se caracteriza. Estudiemos las propiedades y diferencias entre ondas longitudinales y transversales.

Pasamos al estudio de cuestiones relacionadas con las ondas. Hablemos de qué es una ola, cómo aparece y cómo se caracteriza. Resulta que además del proceso oscilatorio en área estrecha espacio, también es posible que estas vibraciones se propaguen en el medio; es precisamente esta propagación la que constituye el movimiento ondulatorio.

Pasemos a discutir esta distribución. Para discutir la posibilidad de la existencia de oscilaciones en un medio, debemos decidir qué es un medio denso. Un medio denso es un medio que consta de gran número Partículas cuya interacción es muy cercana a la elástica. Imaginemos el siguiente experimento mental.

Arroz. 1. Experimento mental

Coloquemos una pelota en un medio elástico. La pelota se encogerá, disminuirá de tamaño y luego se expandirá como un latido del corazón. ¿Qué se observará en este caso? En este caso, las partículas adyacentes a esta bola repetirán su movimiento, es decir. alejándose, acercándose, por lo tanto oscilarán. Dado que estas partículas interactúan con otras partículas más alejadas de la bola, también oscilarán, pero con cierto retraso. Las partículas que se acercan a esta bola vibran. Se transmitirán a otras partículas, más distantes. Así, la vibración se extenderá en todas direcciones. Tenga en cuenta que en este caso el estado de vibración se propagará. A esta propagación de un estado de oscilación la llamamos onda. Se puede decir que El proceso de propagación de vibraciones en un medio elástico a lo largo del tiempo se denomina onda mecánica.

Tenga en cuenta: cuando hablamos del proceso de aparición de tales oscilaciones, debemos decir que son posibles sólo si existe interacción entre partículas. En otras palabras, una onda sólo puede existir cuando hay una fuerza perturbadora externa y fuerzas que resisten la acción de la fuerza perturbadora. En este caso se trata de fuerzas elásticas. El proceso de propagación en este caso estará relacionado con la densidad y fuerza de interacción entre las partículas de un medio determinado.

Notemos una cosa más. La ola no transporta materia.. Después de todo, las partículas oscilan cerca de la posición de equilibrio. Pero al mismo tiempo, la onda transfiere energía. Este hecho puede ilustrarse con las olas del tsunami. La ola no transporta materia, pero la ola lleva tal energía que trae grandes desastres.

Hablemos de tipos de olas. Hay dos tipos: ondas longitudinales y transversales. Qué ha pasado ondas longitudinales? Estas ondas pueden existir en todos los medios. Y el ejemplo de una bola pulsante dentro de un medio denso es sólo un ejemplo de la formación de una onda longitudinal. Una onda de este tipo se propaga en el espacio a lo largo del tiempo. Esta alternancia de compactación y rarefacción es una onda longitudinal. Repito una vez más que una onda así puede existir en todos los medios: líquido, sólido, gaseoso. Una onda longitudinal es una onda cuya propagación hace que las partículas del medio oscilen a lo largo de la dirección de propagación de la onda.

Arroz. 2. Onda longitudinal

En cuanto a la onda transversal, entonces onda transversal Sólo puede existir en sólidos y en la superficie de líquidos. Una onda transversal es una onda cuya propagación hace que las partículas del medio oscilen perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Arroz. 3. Onda transversal

La velocidad de propagación de ondas longitudinales y transversales es diferente, pero este es el tema de las siguientes lecciones.

Lista de literatura adicional:

¿Estás familiarizado con el concepto de ola? // Cuántico. - 1985. - No. 6. — pág. 32-33. Física: Mecánica. 10º grado: Libro de texto. para un estudio en profundidad de la física / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky y otros; Ed. G.Ya. Myakisheva. - M.: Avutarda, 2002. Libro de texto de física elemental. Ed. G.S. Landsberg. T. 3. - M., 1974.

Dejemos que el cuerpo oscilante esté en un medio en el que todas las partículas estén interconectadas. Las partículas del medio en contacto con él comenzarán a vibrar, como resultado de lo cual se producen deformaciones periódicas (por ejemplo, compresión y tensión) en las áreas del medio adyacentes a este cuerpo. Durante las deformaciones, aparecen fuerzas elásticas en el medio, que tienden a devolver las partículas del medio a su estado original de equilibrio.

Así, las deformaciones periódicas que aparecen en algún lugar de un medio elástico se propagarán a una determinada velocidad, dependiendo de las propiedades del medio. En este caso, las partículas del medio no son arrastradas a un movimiento de traslación por la onda, sino que realizan movimientos oscilatorios alrededor de sus posiciones de equilibrio solo se transfiere la deformación elástica de una parte del medio a otra;

El proceso de propagación del movimiento oscilatorio en un medio se llama proceso ondulatorio o simplemente ola. A veces esta onda se llama elástica porque es causada por las propiedades elásticas del medio.

Dependiendo de la dirección de las oscilaciones de las partículas con respecto a la dirección de propagación de las ondas, se distinguen ondas longitudinales y transversales.Demostración interactiva de ondas transversales y longitudinales.

onda longitudinal – Se trata de una onda en la que las partículas del medio oscilan en la dirección de propagación de la onda.

Se puede observar una onda longitudinal en un resorte largo y suave de gran diámetro. Al golpear uno de los extremos del resorte, se puede notar cómo las sucesivas condensaciones y enrarecimientos de sus espiras se irán extendiendo por todo el resorte, discurriendo una tras otra. En la figura, los puntos muestran la posición de las espiras del resorte en reposo, y luego las posiciones de las espiras del resorte en intervalos de tiempo sucesivos iguales a un cuarto del período.

onda transversal - Se trata de una onda en la que las partículas del medio oscilan en direcciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Consideremos con más detalle el proceso de formación de ondas transversales. Tomemos como modelo de cuerda real una cadena de bolas (puntos materiales) conectadas entre sí por fuerzas elásticas. La figura representa el proceso de propagación de una onda transversal y muestra las posiciones de las bolas en intervalos de tiempo sucesivos iguales a un cuarto del período.

En el momento inicial del tiempo (t 0 = 0) todos los puntos están en estado de equilibrio. Luego provocamos una perturbación desviando el punto 1 de la posición de equilibrio en una cantidad A y el primer punto comienza a oscilar, el segundo punto, conectado elásticamente al primero, entra en movimiento oscilatorio un poco más tarde, el tercero incluso más tarde, etc. . Después de un cuarto del período de oscilación ( t 2 = t 4 ) se extenderá hasta el cuarto punto, el primer punto tendrá tiempo de desviarse de su posición de equilibrio en una distancia máxima igual a la amplitud de oscilación A. Después de medio período, el primer punto, moviéndose hacia abajo, volverá a la posición de equilibrio, el 4º se desvió de la posición de equilibrio en una distancia igual a la amplitud de las oscilaciones A, la onda se ha propagado hasta el 7º punto, etc.

Para el momento t5 = T El primer punto, habiendo completado una oscilación completa, pasa por la posición de equilibrio y el movimiento oscilatorio se extenderá hasta el decimotercer punto. Todos los puntos del 1 al 13 están ubicados de manera que formen una onda completa que consta de depresiones Y cresta

Demostración de la propagación de ondas de corte.

El tipo de onda depende del tipo de deformación del medio. Las ondas longitudinales son causadas por deformación por compresión-tensión, las ondas transversales son causadas por deformación por corte. Por tanto, en gases y líquidos, en los que las fuerzas elásticas surgen sólo durante la compresión, la propagación de ondas transversales es imposible. En los sólidos, las fuerzas elásticas surgen tanto durante la compresión (tensión) como durante el corte, por lo que en ellos es posible la propagación de ondas longitudinales y transversales.

Como muestran las figuras, tanto en ondas transversales como longitudinales, cada punto del medio oscila alrededor de su posición de equilibrio y se desplaza de ella no más que una amplitud, y el estado de deformación del medio se transfiere de un punto del medio a otro. Una diferencia importante entre las ondas elásticas en un medio y cualquier otro movimiento ordenado de sus partículas es que la propagación de ondas no está asociada con la transferencia de materia en el medio.