ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

  Αν ρίξουμε μια μπάλα προς ένα αμαξάκι και συγκρουστεί με αυτό, το αμαξάκι θα μετακινηθεί. Μετά τη σύγκρουση το αμαξάκι αποκτά κινητική ενέργεια. Με αυτό τον τρόπο μεταφέρεται κινητική ενέργεια από την μπάλα στο αμαξάκι. Αν δέσεις στο αμαξάκι ένα σκοινί, το τεντώσεις και κουνήσεις την ελεύθερη άκρη του δεξιά ή αριστερά, το αμαξάκι θα μετακινηθεί.Το σκοινί θα παραμένει στη θέση του. Το αμαξάκι όμως αποκτά κινητική ενέργεια.

 Λέμε ότι μέσω του σκοινιού διαδίδεται ένα κύμα το οποίο μεταφέρει ενέργεια.Κύματα μπορούν να δημιουργηθούν όταν ένα σύστημα, όπως για παράδειγμα ο αέρας, η επιφάνεια της θάλασσας, ένα σκοινί, ο φλοιός της γης κ.λπ., διαταράσσεται από την κατάσταση ισορροπίας του και ενέργεια ταξιδεύει από μια περιοχή του συστήματος σε μια άλλη.

  Τα κύματα στο νερό, τα κύματα που διαδίδονται κατά μήκος ενός σκοινιού ή ελατηρίου, τα ηχητικά και τα σεισμικά κύματα ονομάζονται μηχανικά κύματα γιατί μεταφέρουν μηχανική ενέργεια. Στα κύματα αυτά η ενέργεια μεταφέρεται μέσω του νερού, του αέρα, των πετρωμάτων στο εσωτερικό της γης, καθώς και των ελατηρίων ή των σκοινιών.

 Μηχανικά κύματα ονομάζονται τα κύματα που μεταφέρουν μηχανική ενέργεια.Παραδείγματα μηχανικών κυμάτων είναι τα κύματα στο νερό, τα θαλάσσια κύματα,τα κύματα που διαδίδονται κατά μήκος ενός σκοινιού  ή ελατηρίου, τα ηχητικά και τα σεισμικά κύματα.

Ηλεκτρομαγνητικό κύμα

 Ηλεκτρομαγνητικά κύματα ονομάζονται τα κύματα που μεταφέρουν ηλεκτρομαγνητική  ενέργεια.

Η ενέργεια των κυμάτων αυτών μεταφέρεται μέσω του νερού,του σκοινιού, του ελατηρίου, του αέρα, του εδάφους κ.α.

Κυκλικά κύματα στην επιφάνεια νερού   

 Μέσο διάδοσης του κύματος ονομάζεται το υλικό μέσα που απαιτείται για για η δημιουργία κάθε είδους μηχανικού κύματος νερό, σκοινί, ελατήριο, αέρας, έδαφος

Τα κοινά χαρακτηριστικά των μηχανικών κυμάτων είναι:

α) Διαδίδονται μέσα στα υλικά μέσα.

β) Μεταφέρουν μηχανική ενέργεια.

ΕΙΔΗ ΚΥΜΑΤΩΝ

  Η κατεύθυνση του διαταρασσόμενου μεγέθους μπορεί να είναι κάθετη ή παράλληλη ως προς την κατεύθυνση διάδοσης των κυμάτων.Διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους κυμάτων ανάλογα με τον τρόπο τρόπο κίνησης των σωματιδίων του μέσου διάδοσης κίνησης των σωματιδίων του μέσου διάδοσης.

  Αν ταλαντώσουμε το ένα άκρο τεντωμένου ελατηρίου που βρίσκεται πάνω σε λείο πάτωμα, κάθετα στον άξονά του, παρατηρούμε ότι η διαταραχή «ταξιδεύει» κατά μήκος του ελατηρίου. Οι σπείρες όμως του ελατηρίου κινούνται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Διαδοχικά τμήματα του σχοινιού κάνουν την ίδια κίνηση που προκαλέσαμε στο άκρο του αλλά σε επόμενους χρόνους

  Αν κουνήσουμε δεξιά ή αριστερά το άκρο οριζόντιου τεντωμένου σχοινιού, η παραμόρφωση ταξιδεύει κατά μήκος του σχοινιού. Διαδοχικά τμήματα του σχοινιού κάνουν την ίδια κίνηση που προκαλέσαμε στο άκρο του αλλά σε επόμενους χρόνους. Τα σωματίδια του σχοινιού μετατοπίζονται κάθετα στη διεύθυνσή του .

  Στα δύο προηγούμενα παραδείγματα τα σωματίδια του μέσου ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται εγκάρσιο κύμα. Τα κύματα στις χορδές της κιθάρας ή του πιάνου είναι επίσης εγκάρσια κύματα.

 Εγκάρσια κύματα ονομάζονται τα κύματα στα οποία τα σωματίδια του μέσου ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.Παραδείγματα εγκάρσιων κυμάτων είναι ένα κύμα σε σχοινί, οι χορδές της κιθάρας διαδίδονται στα στερεά και υγρά,του πιάνο.
  Τα εγκάρσια κύματα σχηματίζονται μόνο στα στερεά σώματα και κατά προσέγγιση στην επιφάνεια των υγρών.Κατά την διάδοση των εγκάρσιων κυμάτων τα μόρια του ελαστικού μέσου δημιουργούν <<όρη>> και <<κοιλάδες>>,που μετακινούνται συνεχώς,έτσι ώστε να απομακρύνονται από την πηγή.

Όρος και κοιλάδα σε ένα εγκάρσιο κύμα

  Όρος ή Κορυφή ονομάζεται  το σημείο στο οποίο υπάρχει η μέγιστη τιμή του διαταρασσόμενου μεγέθους. Για παράδειγμα, λέμε όρος του κύματος είναι στη λέμβο αν αυτή βρίσκεται στο ανώτερο σημείο που μπορεί να βρεθεί.

 Κοιλάδα ονομάζεται το σημείο στο οποίο υπάρχει η ελάχιστη τιμή του διαταρασσόμενου μεγέθους. Για παράδειγμα, λέμε κοιλία του κύματος είναι στη λέμβο αν αυτή βρίσκεται στο κατώτερο σημείο που μπορεί να βρεθεί.

  Σε ελατήριο είναι δυνατόν να διαδοθεί και ένας άλλος τύπος κύματος: Αν στο ένα άκρο του ελατηρίου πλησιάσουμε με τα δύο μας χέρια τις σπείρες του ελατηρίου έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένα πύκνωμα σπειρών και μετά τις αφήσουμε ελεύθερες, τότε το πύκνωμα των σπειρών διαδίδεται κατά μήκος του ελατηρίου.

  Βλέπουμε ένα σωλήνα ο οποίος είναι κλειστός στο ένα άκρο του, ενώ το άλλο κλείνεται με ένα έμβολο. Αν μετακινήσουμε το έμβολο μπρος ή πίσω, τότε στο χώρο μέσα στο σωλήνα που είναι ακριβώς πίσω από το έμβολο δημιουργούνται στρώματα αέρα μεγάλης και μικρής πίεσης ή μεγάλης και μικρής πυκνότητας αντίστοιχα (πυκνώματα ή αραιώματα). Τα πυκνώματα και αραιώματα αυτά διαδίδονται κατά μήκος του σωλήνα μέσα στο αέριο.

  Σ' αυτά τα παραδείγματα τα σωματίδια του μέσου μέσα στο οποίο διαδίδεται το κύμα ταλαντώνονται κατά την ίδια διεύθυνση που διαδίδεται το κύμα. Ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται διάμηκες κύμα. Παράδειγμα διαμήκους κύματος είναι τα ηχητικά κύματα. Τα διαμήκη κύματα διαδίδονται στα στερεά, στα υγρά και στα αέρια, ενώ τα εγκάρσια διαδίδονται μόνο στα στερεά.

Διαμήκη κύματα 

  Διαμήκη κύματα ονομάζονται τα κύματα στα οποία τα σωματίδια του μέσου ταλαντώνονται κατά την ίδια διεύθυνση που διαδίδεται το κύμα.Παραδείγματα διαμήκη κυμάτων είναι τα ηχητικά κύματα και  μια διαταραχή που διαδίδεται στις σπείρες ενός ελατηρίου.Διαδίδονται  στα στερεά, στα υγρά και στα αέρια.

Πυκνώματα και αραιώματα σε ένα ελατήριο

  Πύκνωμα ονομάζεται το σημείο στο οποίο υπάρχει η μέγιστη τιμή του διαταρασσόμενου μεγέθους. Στο παράδειγμα του ελατηρίου αντιστοιχεί σε πύκνωμα στις σπείρες.

  Αραίωμα ονομάζεται το σημείο στο οποίο υπάρχει η ελάχιστη τιμή του διαταρασσόμενου μεγέθους. Στο παράδειγμα του ελατηρίου αντιστοιχεί σε αραίωμα στις σπείρες.Κύματα ίδιας συχνότητας, ίδιου πλάτους, στην ίδια περιοχή του ίδιου μέσου όπου το ένα είναι εγκάρσιο και το άλλο διαμήκες, το διαμήκες έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από το εγκάρσιο.

ΤΟ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟ ΚΥΜΑ

 Αν και τα κύματα που δημιουργούνται στο βάθος μιας λίμνης ή της θάλασσας είναι διαμήκη, τα κύματα που δημιουργούνται στην επιφάνεια του νερού δεν μοιάζουν με αυτά. Καθώς διαδίδεται ένα κύμα στην επιφάνεια ενός υγρού, τα σωματίδια κινούνται τόσο παράλληλα όσο και κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, με τελικό αποτέλεσμα οι τροχιές τους να είναι κυκλικές. Το κύμα που διαδίδεται με αυτό τον τρόπο αποτελεί ένα μίγμα εγκαρσίων και διαμηκών κυμάτων.

Τα επιφανειακά κύματα είναι ένα μίγμα εγκαρσίων και διαμηκών κυμάτων 

  Επιφανειακά κύματα ονομάζονται τα κύματα στα οποία τα κύματα που δημιουργούνται στην επιφάνεια του νερού.Είναι ένα μίγμα εγκαρσίων και διαμηκών κυμάτων.Άλλο παράδειγμα επιφανειακών κυμάτων είναι τα σεισμικά κύματα.

Σεισμικά κύματα

  Σεισμικά κύματα ονομάζονται τα ελαστικά κύματα τα οποία στις θέσεις διατάρραξης της μηχανικής ισορροπίας των πετρωμάτων, δηλαδή στην εστία του σεισμού, απελευθερώνεται μηχανική ενέργεια που διαδίδεται μέσα στην Γη.
  Διακρίνουμε δύο βασικές κατηγορίες σεισμικών κυμάτων,τα κύματα χώρου τα οποία διαδίδονται προς όλες τις κατευθύνσεις στο εσωτερικό της Γης και τα επιφανειακά κύματα τα οποία διαδίδονται μόνο κατά μήκος των επιφανειακών στρωμάτων της Γης.