OBERFLÄCHENWELLEN: EIGENSCHAFTEN, TYPEN UND BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2025

Oberflächenwellen sind diejenigen , in denen die vibrierende Bewegung Teilchen in zwei Dimensionen, wie die Wellen haben , die produziert werden , wenn ein Stein in einen Teich oder See fallen gelassen wird.

Diese Art von Welle tritt an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien wie dem Ozean und der Luft oder zwischen der Erdoberfläche und der Luft auf. Dies sind Wellen, bei denen die Teilchen transversal in Kombination mit Längsverschiebungen, dh zweidimensional, auftreten.

Abbildung 1. Oberflächenwellen in einem Teich. Quelle: Pixabay.

Zum Beispiel bewegen sich die Wasserteilchen auf der Meeresoberfläche - Wellen - auf Kreisbahnen. Wenn die Wellen am Ufer brechen, überwiegen Längsverschiebungen, und daher bewegt sich der Seetang oder ein schwimmendes Stück Holz reibungslos von vorne nach hinten.

Wellen bewegen sich auch analog zu Meereswellen auf der Erdoberfläche. Sie bewegen sich langsamer als die Wellen, die sich intern durch das Erdvolumen bewegen, können jedoch leichter Resonanz in Gebäuden verursachen.

Da Wellen Schwingungen erzeugen und Energie transportieren, wirken sie sich bei Erdbeben zerstörerisch aus.

Abbildung 2. Oberflächenwellen im Ozean. Die Wasserteilchen bewegen sich im Uhrzeigersinn, wenn sich die Welle von links nach rechts bewegt. Am höchsten Punkt befinden sie sich auf dem Wellenkamm, während der niedrigste Punkt als Kanal bezeichnet wird. Quelle der linken Abbildung: F. Zapata. Quelle der rechten Figur: Giambattista, A. 2010. Physik. 2 .. Auflage. McGraw Hill.

Arten von Oberflächenwellen

Jede Art von Welle, ob oberflächlich oder nicht, ist eine Lösung der Wellengleichung, die für fast jede Art von Wellenbewegung gilt, nicht nur mechanisch wie in den beschriebenen Beispielen, sondern auch für elektromagnetische Wellen, die a sind verschiedene Arten von Wellen, da sie quer sind.

Die Wellengleichung, die unter Berücksichtigung des zweiten Newtonschen Gesetzes erhalten wird, lautet wie folgt:

In der obigen Gleichung ist u die Wellenfunktion, die von den drei Raumkoordinaten x, y und z plus der Zeit t abhängt: u = u (x, y, z, t). Weiterhin ist v die Geschwindigkeit der Störung. Die Wellengleichung kann in Abhängigkeit von der erforderlichen Geometrie in anderen Koordinatensystemen angegeben werden.

Um die Lösung für die Gleichung zu finden, wird sie an die Bedingungen des Problems angepasst, in denen beispielsweise die Geometrie abgegrenzt und die Eigenschaften des Mediums, durch das sich die Störung bewegt, festgelegt werden.

Es gibt viele Arten von Oberflächenwellen, wie zum Beispiel:

-Gravitationswellen (Gravitationswellen) wie die zu Beginn beschriebenen Ozeanwellen, bei denen die Schwerkraft eine Rückstellkraft bereitstellt, die eine Querbewegung ermöglicht.

- Oberflächenschwellung in einem Teich, hier ist die Oberflächenspannung des Wassers, die als Rückstellkraft wirkt.

- Oberflächenelastische Wellen, die sich während eines Erdbebens auf der Erdoberfläche bewegen.

-Elektromagnetische Wellen, die trotz ihrer Transversalität richtig geführt werden können, um sich auf einer Oberfläche zu bewegen.

-Einige Arten von Wellen, die in den Saiten einer Gitarre erzeugt werden, wenn die Saiten mit Gewalt angeschlagen werden.

Oberflächliche elastische Wellen auf der Erdoberfläche

Abbildung 3. Oberflächenwelle auf der Erdoberfläche. Die Bewegung der Partikel ist eine Kombination aus Quer- und Längsverschiebungen. Quelle: Giambattista, A. 2010. Physik. 2 .. Auflage. McGraw Hill.

Bei der Lösung der Wellengleichung entsprechen die Lösungen, wie gesagt, verschiedenen Arten von Wellen. Wenn sich die Störung in einem festen Medium wie der Erdkruste bewegt, können einige Annahmen getroffen werden, die den Prozess vereinfachen.

Aus diesem Grund wird das Medium als perfekt elastisch, homogen und isotrop angesehen, was bedeutet, dass seine Eigenschaften unabhängig von Position oder Richtung gleich sind.

In diesem Sinne entsprechen zwei der Lösungen der Wellengleichung in einem elastischen Medium Oberflächenwellen:

- Waves of Rayleigh, benannt nach Lord Rayleigh (1842-1919), dem britischen Physiker, der sie zuerst beschrieb.

-Waves of Love von Augustus Love, britischer Geophysiker und Mathematiker (1863-1940), der die Theorie dieser Wellen in seinen Arbeiten zur Elastizität entwickelte.

In der Seismik werden diese Wellen L-Wellen genannt, um sie von P-Wellen und S-Wellen zu unterscheiden, die beide als Volumenwellen (Körperwellen) betrachtet werden und auch eine Lösung für die Wellengleichung unter den oben beschriebenen Bedingungen darstellen. P-Wellen sind longitudinal und S-Wellen sind transversal.

Beispiele für Oberflächenwellen

Rayleigh winkt

In einer Rayleigh-Welle schwingen die Wellenfrontteilchen in der vertikalen Ebene, daher werden sie als vertikal polarisiert bezeichnet. Die Teilchen bewegen sich in einer Ellipse, im Gegensatz zu den Wellen auf der Oberfläche des Ozeans, deren Bewegung, wie zu Beginn gesagt, kreisförmig ist (obwohl sie in Küstennähe eher elliptisch sind).

Die Hauptachse der Ellipse ist vertikal und die Nebenachse folgt der Ausbreitungsrichtung, wie in der Abbildung gezeigt. Dort wird auch angemerkt, dass die Bewegung rückläufig ist, das heißt, sie wird gegen den Uhrzeigersinn ausgeführt.

Abbildung 4. Rayleigh-Welle. Quelle: Lowrie, W. 2007. Grundlagen der Geophysik. 2 .. Auflage. Cambridge University Press.

Ein weiterer wichtiger Unterschied zu Wasserwellen besteht darin, dass sich Rayleigh-Wellen nur in festen Medien ausbreiten können, da in Flüssigkeiten keine Scherkraft auftritt.

Die Amplitude der Partikelverschiebung nimmt exponentiell mit der Tiefe ab, da die Welle auf die Oberfläche beschränkt ist. Wenn es sich jedoch um ein Erdbeben hoher Intensität handelt, können die Wellen die Erde mehrmals umkreisen, bevor sie vollständig verschwinden. .

Wellen der Liebe

In Liebeswellen sind die Teilchen horizontal polarisiert und haben eine große Bewegungsamplitude parallel zur Oberfläche. Sie bewegen sich etwas langsamer als Rayleigh-Wellen, obwohl die Geschwindigkeit bei diesen Wellentypen von der Wellenlänge (dispersive Welle) abhängt.

Damit sich diese Wellen ausbreiten können, muss eine Schicht mit niedriger Geschwindigkeit mindestens einer Schicht mit höherer Geschwindigkeit in der Mitte überlagert sein. Wie Rayleigh-Wellen können Liebeswellen, die während eines Erdbebens erzeugt werden, die Erde mehrmals umkreisen, bevor sie ihre Energie zerstreuen.

Abbildung 5. Wellen der Liebe. Quelle: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Bodenrolle

Es ist üblich, diese Variante von Rayleigh-Wellen, die als Bodenrolle bezeichnet wird, in seismischen Explorationsaufzeichnungen zu finden. Es wird als Rauschen betrachtet und muss vermieden werden, da es aufgrund seiner großen Amplitude manchmal die Reflexionen maskiert, die Sie sehen möchten.

Ozean Wellen

In großer Tiefe sind Meereswellen Longitudinalwellen wie Schallwellen. Dies bedeutet, dass seine Ausbreitungsrichtung der Richtung entspricht, in der die Partikel schwingen.

Die Welle in der Nähe der Oberfläche weist jedoch sowohl Längs- als auch Querkomponenten auf, wodurch die Partikel einer fast kreisförmigen Bahn folgen (siehe Abbildung 2 rechts).

Abbildung 6. Ozeanwellen sind Oberflächenwellen. Quelle: Pixabay.

Verweise

1. Figueroa, D. 2005. Wellen und Quantenphysik. Physikreihe für Wissenschaft und Technik. Hrsg. Von D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Physik. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Grundlagen der Geophysik. 2 .. Auflage. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Wellen der Liebe. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh winkt. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Oberflächenwellen. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org.