POVRCHOVÉ VLNY: VLASTNOSTI, TYPY A PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2026

Povrchové vlny sú tie, v ktorých sa vibračné častice pohybujú v dvoch rozmeroch, ako napríklad vlny, ktoré vznikajú pri páde kameňa do rybníka alebo jazera.

Tento typ vlny sa vyskytuje na rozhraní medzi dvoma rôznymi médiami, ako je oceán a vzduch, alebo medzi povrchom Zeme a vzduchom. Sú to vlny, v ktorých častice prechádzajú priečne v kombinácii s pozdĺžnymi posunmi, to znamená dvojrozmernými.

Obrázok 1. Povrchové vlny v rybníku. Zdroj: Pixabay.

Napríklad častice vody na hladine oceánu - vlny - sa pohybujú kruhovými cestami. Keď sa vlny rozbijú na pobreží, prevládajú pozdĺžne posuny, a preto je vidieť, že morské riasy alebo kúsok dreva, ktoré pláva, sa hladko pohybujú spredu dozadu.

Vlny sa tiež pohybujú po zemskom povrchu podobným spôsobom ako morské vlny. Cestujú pomalšie ako vlny, ktoré sa pohybujú vnútorne cez zemský objem, ale dokážu ľahšie vyvolať rezonanciu v budovách.

Keďže vlny produkujú vibrácie a prenášajú energiu, majú počas zemetrasenia deštruktívne účinky.

Obrázok 2. Povrchové vlny v oceáne. Častice vody sa pohybujú v smere hodinových ručičiek, keď je pohyb vlny zľava doprava. V najvyššom bode sú na vrchole vlny, zatiaľ čo najnižší bod sa nazýva kanál. Zdroj ľavého obrázku: F. Zapata. Zdroj pravého čísla: Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2 .. Vydanie. McGraw Hill.

Druhy povrchových vĺn

Akýkoľvek typ vlny, či už povrchový alebo nie, je riešením vlnovej rovnice, ktorá sa aplikuje na takmer akýkoľvek typ vlnového pohybu, nielen mechanický, ako v opísaných príkladoch, ale aj na elektromagnetické vlny, ktoré sú rôzne druhy vĺn, pretože sú priečne.

Vlnová rovnica, ktorá sa získa pri zvážení Newtonovho druhého zákona, je napísaná takto:

Vo vyššie uvedenej rovnici u je vlnová funkcia, ktorá závisí od troch priestorových súradníc x, yaz z plus čas t: u = u (x, y, z, t). Ďalej v je rýchlosť poruchy. Vlnová rovnica môže byť uvedená v iných súradnicových systémoch v závislosti od požadovanej geometrie.

Aby sa našlo riešenie rovnice, prispôsobí sa podmienkam problému, v ktorom je napríklad vymedzená geometria a sú stanovené vlastnosti média, ktorým sa rušivé pohyby pohybujú.

Existuje mnoho typov povrchových vĺn, ako napríklad:

- gravitačné vlny (gravitačné vlny) ako vlny oceánu opísané na začiatku, v ktorých gravitácia poskytuje obnovovaciu silu, ktorá umožňuje priečny pohyb.

- povrchový povrch v rybníku, tu je povrchové napätie vody, ktoré pôsobí ako regeneračná sila.

- povrchové elastické vlny, ktoré sa počas zemetrasenia pohybujú na zemskom povrchu.

- Elektromagnetické vlny, ktoré napriek tomu, že sú priečne, sa dajú správne viesť tak, aby sa pohybovali po povrchu.

- Niektoré druhy vĺn, ktoré sa vytvárajú v strunách gitary, keď sú struny úderom sily.

Povrchné elastické vlny na zemskom povrchu

Obrázok 3. Povrchová vlna na zemskom povrchu. Pohyb častíc je kombináciou priečnych a pozdĺžnych posunov. Zdroj: Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2 .. Vydanie. McGraw Hill.

Ako sme už povedali, pri riešení vlnovej rovnice zodpovedajú riešenia rôznym typom vĺn. Keď sa porucha pohybuje v pevnom médiu, ako je zemská kôra, je možné urobiť niekoľko predpokladov, ktoré tento proces zjednodušujú.

Z tohto dôvodu sa médium považuje za dokonale elastické, homogénne a izotropné, čo znamená, že jeho vlastnosti sú rovnaké bez ohľadu na polohu alebo smer.

Z tohto hľadiska dve riešenia vlnovej rovnice v elastickom médiu zodpovedajú povrchovým vlnám:

- Vlny Rayleigha, pomenované po lordovi Rayleighovi (1842-1919), britskom fyzikovi, ktorý ich prvýkrát opísal.

- Waves of Love, autor: Augustus Love, britský geofyzik a matematik (1863-1940), ktorý vo svojich prácach o pružnosti rozvinul teóriu týchto vĺn.

V seizmických podmienkach sa tieto vlny nazývajú L vlny, aby sa odlíšili od P a S vĺn, obidve sa považujú za objemové vlny (telesné vlny), ktoré sú tiež riešením vlnovej rovnice s vyššie opísanými podmienkami. P vlny sú pozdĺžne a vlny S priečne.

Príklady povrchových vĺn

Rayleighove vlny

Vo vlnovej vlne vlnové častice vibrujú vo vertikálnej rovine, preto sa hovorí, že sú vertikálne polarizované. Častice sa pohybujú elipsou, na rozdiel od vĺn na povrchu oceánu, ktorých pohyb je kruhový, ako bolo povedané na začiatku (hoci pri pobreží sú skôr eliptické).

Hlavná os elipsy je vertikálna a vedľajšia os sleduje smer šírenia, ako je znázornené na obrázku. Tam je tiež poznamenané, že pohyb je retrográdny, to znamená, že je uskutočňovaný proti smeru hodinových ručičiek.

Obrázok 4. Rayleighova vlna. Zdroj: Lowrie, W. 2007. Základy geofyziky. 2 .. Vydanie. Cambridge University Press.

Ďalším dôležitým rozdielom oproti vodným vlnám je to, že Rayleighove vlny sa môžu šíriť iba v tuhých médiách, pretože v kvapalinách nevzniká šmyková sila.

Amplitúda posunu častice exponenciálne klesá s hĺbkou, pretože vlna je obmedzená na povrch, hoci ak ide o zemetrasenie s vysokou intenzitou, vlny môžu krúžiť Zem niekoľkokrát, kým úplne nezmiznú. ,

Vlny lásky

V Love Love sú častice horizontálne polarizované a majú veľkú amplitúdu pohybu rovnobežnú s povrchom. Pohybujú sa o niečo pomalšou rýchlosťou ako Rayleighove vlny, aj keď rýchlosť v týchto typoch vĺn závisí od vlnovej dĺžky (disperznej vlny).

Aby sa tieto vlny šírili, musí byť na najmenej jednej vrstve vyššej rýchlosti v strede umiestnená vrstva nízkej rýchlosti. Rovnako ako Rayleighove vlny, aj Láska vyprodukovaná počas zemetrasenia môže obísť Zem niekoľkokrát predtým, ako rozptýli svoju energiu.

Obrázok 5. Vlny lásky. Zdroj: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Brúsenie

Je bežné, že tento variant lúčov Rayleighov, nazývaný zemný zvitok, sa nachádza v seizmických prieskumných záznamoch. Považuje sa za hluk a je potrebné sa mu vyhnúť, pretože kvôli svojej veľkej amplitúde niekedy maskuje odrazy, ktoré hľadáte.

Oceánske vlny

Oceánske vlny sú vo veľkej hĺbke pozdĺžne vlny, podobné vlnám zvuku. To znamená, že smer jeho šírenia je rovnaký ako smer, v ktorom častice vibrujú.

Vlna v blízkosti povrchu má však pozdĺžne aj priečne zložky, čo spôsobuje, že častice sledujú takmer kruhovú cestu (pozri obrázok 2 vpravo).

Obrázok 6. Oceánske vlny sú povrchové vlny. Zdroj: Pixabay.

Referencie

1. Figueroa, D. 2005. Vlny a kvantová fyzika. Fyzika Series pre vedu a techniku. Editoval D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Fyzika. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Základy geofyziky. 2 .. Vydanie. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Vlny lásky. Obnovené z: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleighove vlny. Obnovené z: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Povrchové vlny. Obnovené z: en.wikipedia.org.