LONGITUDINALWELLEN: EIGENSCHAFTEN, UNTERSCHIEDE, BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2025

Die Longitudinalwellen manifestieren sich in materiellen Mitteln, in denen Teilchen parallel zur Bewegungsrichtung der Welle schwingen. wie in den folgenden Bildern zu sehen sein wird. Dies ist seine Besonderheit.

Schallwellen, bestimmte Wellen, die während eines Erdbebens auftreten, und solche, die in einem Slinky oder einer Quelle erzeugt werden, wenn ein kleiner Impuls in die gleiche Richtung ihrer Achse gegeben wird, sind gute Beispiele für diese Klasse von Wellen.

Abbildung 1. Schall ist eine Longitudinalwelle, die aufeinanderfolgende Kompressionen und Expansionen in der Luft erzeugt. Quelle: Wikimedia Commons. Pluke

Ton wird erzeugt, wenn ein Objekt (wie die Stimmgabel der Figur, ein Musikinstrument oder einfach die Stimmbänder) in einem Medium zum Schwingen gebracht wird, das die Störung durch die Schwingung seiner Moleküle übertragen kann. Luft ist ein geeignetes Medium, aber auch Flüssigkeiten und Feststoffe.

Die Störung verändert wiederholt den Druck und die Dichte des Mediums. Auf diese Weise erzeugt die Welle Kompressionen und Expansionen (Verdünnungen) in den Molekülen des Mediums, wenn sich die Energie mit einer bestimmten Geschwindigkeit v bewegt .

Diese Druckänderungen werden vom Ohr durch Vibrationen im Trommelfell wahrgenommen, die vom Nervennetzwerk in winzige elektrische Ströme umgewandelt werden. Beim Erreichen des Gehirns interpretiert es sie als Geräusche.

In einer Longitudinalwelle wird das sich kontinuierlich wiederholende Muster als Zyklus bezeichnet, und seine Dauer ist die Periode der Welle. Es gibt auch die Amplitude, die die maximale Intensität ist und die gemäß der Größe gemessen wird, die als Referenz genommen wird. Im Fall von Schall kann es sich um die Änderung des Drucks im Medium handeln.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Wellenlänge: der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kompressionen oder Expansionen, siehe Abbildung 1. Im internationalen System wird die Wellenlänge in Metern gemessen. Schließlich gibt es seine Geschwindigkeit (in Metern / Sekunde für das internationale System), die angibt, wie schnell sich die Energie ausbreitet.

Wie erscheinen Longitudinalwellen in Ozeanwellen?

In einem Gewässer werden Wellen durch verschiedene Ursachen erzeugt (Druckänderungen, Winde, Gravitationswechselwirkungen mit anderen Sternen). Auf diese Weise können Meereswellen klassifiziert werden in:

- Windwellen

- Gezeiten

- Tsunamis

Die Beschreibung dieser Wellen ist recht komplex. Im Allgemeinen bewegen sich die Wellen in tiefen Gewässern in Längsrichtung und erzeugen periodische Kompressionen und Ausdehnungen des Mediums, wie zu Beginn beschrieben.

Auf der Meeresoberfläche sieht es jedoch etwas anders aus, da dort die sogenannten Oberflächenwellen überwiegen, die Eigenschaften von Longitudinalwellen und Transversalwellen kombinieren. Daher unterscheiden sich die Wellen, die sich in den Tiefen der aquatischen Umwelt bewegen, stark von denen, die sich an der Oberfläche bewegen.

Ein Baumstamm, der auf der Meeresoberfläche schwimmt, hat eine Art Hin- oder Herbewegung. Wenn die Wellen am Ufer brechen, überwiegen tatsächlich die Längskomponenten der Welle, und wenn der Baumstamm auf die Bewegung der ihn umgebenden Wassermoleküle reagiert, wird auch beobachtet, dass er an der Oberfläche kommt und geht.

Abbildung 2. Meereswellen an der Oberfläche sind Wellen, die teilweise Longitudinalwellencharakteristika und teilweise Querwellen aufweisen. Quelle: Quelle: Vargklo bei en.wikipedia

Beziehung zwischen Tiefe und Wellenlänge

Die Faktoren, die die Art der erzeugten Welle bestimmen, sind: die Wassertiefe und die Wellenlänge der Meereswelle. Wenn die Wassertiefe an einem bestimmten Punkt als d bezeichnet wird und die Wellenlänge λ ist, gehen die Wellen von longitudinal zu oberflächlich über, wenn:

An der Oberfläche erhalten die Wassermoleküle Rotationsbewegungen, die sie mit zunehmender Tiefe verlieren. Die Reibung der Wassermasse mit dem Boden führt dazu, dass diese Bahnen elliptisch werden, wie in Abbildung 2 dargestellt.

An den Stränden ist das Wasser in Ufernähe unruhiger, weil dort die Wellen brechen, die Wasserpartikel am Boden verlangsamt werden und sich dadurch mehr Wasser auf den Kämmen ansammelt. In tieferen Gewässern wird dagegen wahrgenommen, wie die Wellen weicher werden.

Wenn d >> λ / 2 Tiefwasserwellen oder Kurzwellen haben, nehmen kreisförmige oder elliptische Bahnen ab und Längswellen überwiegen. Und wenn d << λ / 2 ist, stammen die Wellen aus Oberflächengewässern oder langen Wellen.

Unterschiede zu Scherwellen

Sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellen fallen in die Kategorie der mechanischen Wellen, für deren Ausbreitung ein materielles Medium erforderlich ist.

Die Hauptunterscheidung zwischen den beiden wurde zu Beginn erwähnt: Bei Transversalwellen bewegen sich die Partikel des Mediums senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle, während sie bei Longitudinalwellen in die gleiche Richtung schwingen, gefolgt von der Störung. Es gibt jedoch weitere Besonderheiten:

Weitere Unterschiede zwischen Quer- und Longitudinalwellen

- In einer Transversalwelle werden Kämme und Täler unterschieden, die in Längsrichtung Kompressionen und Expansionen entsprechen.

- Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass Longitudinalwellen nicht polarisiert sind, da die Richtung der Wellengeschwindigkeit dieselbe ist wie die der Bewegung der oszillierenden Teilchen.

- Die Transversalwellen können sich in jedem Medium und sogar in einem Vakuum wie elektromagnetischen Wellen ausbreiten. Andererseits haben die Partikel in Flüssigkeiten, denen es an Steifheit mangelt, keine andere Wahl, als aneinander vorbei zu gleiten und sich zu bewegen, wie es die Störung tut, dh in Längsrichtung.

Infolgedessen sind die Wellen, die in der Mitte der ozeanischen und atmosphärischen Massen entstehen, in Längsrichtung, da Querwellen Medien mit ausreichender Steifigkeit erfordern, um die charakteristischen senkrechten Bewegungen zu ermöglichen.

- Longitudinalwellen verursachen Druck- und Dichteschwankungen in dem Medium, durch das sie sich ausbreiten. Andererseits beeinflussen die Transversalwellen das Medium auf diese Weise nicht.

Ähnlichkeiten zwischen Längs- und Querwellen

Sie haben dieselben Teile gemeinsam: Periode, Amplitude, Frequenz, Zyklen, Phase und Geschwindigkeit. Alle Wellen unterliegen Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz und dem Doppler-Effekt und transportieren Energie durch das Medium.

Obwohl sich die Spitzen und Täler von einer Transversalwelle unterscheiden, sind die Kompressionen in der Longitudinalwelle analog zu den Spitzen und Ausdehnungen zu den Tälern, so dass beide Wellen die gleiche mathematische Beschreibung der Sinus- oder Sinuswelle zulassen.

Beispiele für Longitudinalwellen

Schallwellen sind die typischsten Longitudinalwellen und gehören zu den am besten untersuchten, da sie die Grundlage für Kommunikation und musikalischen Ausdruck bilden und Gründe für ihre Bedeutung im Leben der Menschen sind. Darüber hinaus haben Schallwellen wichtige Anwendungen in der Medizin, sowohl in der Diagnose als auch in der Behandlung.

Die Ultraschalltechnik ist unter anderem zur Gewinnung medizinischer Bilder sowie zur Behandlung von Nierensteinen bekannt. Ultraschall wird durch einen piezoelektrischen Kristall erzeugt, der in der Lage ist, eine Längsdruckwelle zu erzeugen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird (er erzeugt auch einen Strom, wenn Druck angelegt wird).

Um wirklich zu sehen, wie eine Longitudinalwelle aussieht, gibt es nichts Besseres als Schraubenfedern oder Slinkys. Indem Sie der Feder einen kleinen Impuls geben, können Sie sofort beobachten, wie sich die Kompressionen und Expansionen abwechselnd über die Windungen ausbreiten.

- Seismische Wellen

Longitudinalwellen sind auch Teil seismischer Bewegungen. Erdbeben bestehen aus verschiedenen Arten von Wellen, darunter P oder Primärwellen und S oder Sekundärwellen. Die ersteren sind in Längsrichtung, während in letzteren die mittleren Teilchen in einer Richtung quer zur Verschiebung der Welle schwingen.

Bei Erdbeben werden sowohl Longitudinalwellen (primäre P-Wellen) als auch Transversalwellen (sekundäre S-Wellen) und andere Arten wie Rayleigh-Wellen und Liebeswellen an der Oberfläche erzeugt.

Tatsächlich sind Longitudinalwellen die einzigen, von denen bekannt ist, dass sie sich durch den Erdmittelpunkt bewegen. Da sie sich nur in flüssigen oder gasförmigen Medien bewegen, glauben Wissenschaftler, dass der Erdkern hauptsächlich aus geschmolzenem Eisen besteht.

- Bewerbungsübung

P-Wellen und S-Wellen, die während eines Erdbebens erzeugt werden, bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf der Erde, sodass ihre Ankunftszeiten an seismografischen Stationen unterschiedlich sind (siehe Abbildung 3). Dank dessen ist es möglich, die Entfernung zum Epizentrum des Erdbebens durch Triangulation unter Verwendung von Daten von drei oder mehr Stationen zu bestimmen.

Abbildung 3. Die seismischen Wellen P und S erreichen die Seismographen zu unterschiedlichen Zeiten, da ihre Geschwindigkeiten unterschiedlich sind. Quelle: Wikimedia Commons.

Angenommen, v _P = 8 km / s ist die Geschwindigkeit der P-Wellen, während die Geschwindigkeit der S-Wellen v _S = 5 km / s ist. Die P-Wellen treffen 2 Minuten vor den ersten S-Wellen ein. Wie berechnet man die Entfernung vom Epizentrum?

Antworten

Sei D der Abstand zwischen dem Epizentrum und der seismologischen Station. Mit den gelieferten Daten können die Laufzeit t _P und t _S jeder Welle ermittelt werden:

v _P = D / t _P.

v _S = D / t _S.

Der Unterschied ist , & Delta; t = t _S - t _P :

& Delta; t = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

Auflösen nach dem Wert von D:

D = & Dgr; t / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (& Dgr; t. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

Wissen, dass 2 Minuten = 120 Sekunden und Ersetzen der restlichen Werte:

D = 120 s. (8 km / s, 5 km / s) / (8 - 5 km / s) = 1600 km.

Verweise

1. Unterschied zwischen Quer- und Längswellen. Wiederhergestellt von: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Wellen und Quantenphysik. Physikreihe für Wissenschaft und Technik. Band 7. Herausgegeben von Douglas Figueroa. Simon Bolivar Universität. 1-58.
3. Infraschall und Ultraschall. Wiederhergestellt von: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Grundlagen der Physik. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. Longitudinal- und Transversalwellenbewegung. Abgerufen von: acs.psu.edu.
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