LONGITUDINALE GOLVEN: KENMERKEN, VERSCHILLEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2026

De longitudinale golven komen tot uiting in materiële middelen waarin deeltjes oscilleren parallel aan de richting waarin de golf zich voortbeweegt. zoals te zien is in de volgende afbeeldingen. Dit is het onderscheidende kenmerk.

Geluidsgolven, bepaalde golven die verschijnen tijdens een aardbeving en golven die worden geproduceerd in een slinky of veer wanneer deze een kleine impuls krijgt in dezelfde richting van zijn as, zijn goede voorbeelden van deze klasse van golven.

Figuur 1. Geluid is een longitudinale golf die opeenvolgende compressies en expansies in de lucht produceert. Bron: Wikimedia Commons. Pluke

Er wordt geluid geproduceerd wanneer een object (zoals de stemvork van de figuur, een muziekinstrument of gewoon de stembanden) in trilling wordt gebracht in een medium dat de storing kan overbrengen door de vibratie van zijn moleculen. Lucht is een geschikt medium, maar ook vloeistoffen en vaste stoffen zijn dat.

De storing verandert herhaaldelijk de druk en dichtheid van het medium. Op deze manier produceert de golf compressies en expansies (verdunningen) in de moleculen van het medium, terwijl de energie beweegt met een bepaalde snelheid v .

Deze veranderingen in druk worden door het oor waargenomen door trillingen in het trommelvlies, die door het zenuwnetwerk worden omgezet in kleine elektrische stroompjes. Bij het bereiken van de hersenen, interpreteert het ze als geluiden.

In een longitudinale golf wordt het patroon dat zich continu herhaalt een cyclus genoemd, en de duur ervan is de periode van de golf. Er is ook de amplitude, wat de maximale intensiteit is en die wordt gemeten volgens de grootte die als referentie wordt genomen, in het geval van geluid kan het de variatie van de druk in het medium zijn.

Een andere belangrijke parameter is de golflengte: de afstand tussen twee opeenvolgende compressies of uitbreidingen, zie figuur 1. In het International System wordt de golflengte gemeten in meters. Ten slotte is er de snelheid (in meter / seconde voor het internationale systeem), die aangeeft hoe snel de energie zich voortplant.

Hoe verschijnen longitudinale golven in oceaangolven?

In een waterlichaam worden golven geproduceerd door meerdere oorzaken (drukveranderingen, wind, gravitatie-interacties met andere sterren). Op deze manier kunnen zeegolven worden ingedeeld in:

- Windgolven

- Getijden

- Tsunami's

De beschrijving van deze golven is vrij complex. Over het algemeen bewegen de golven in diepe wateren in de lengterichting en produceren ze periodieke compressies en expansies van het medium, zoals in het begin beschreven.

Op het oppervlak van de zee zijn de dingen echter een beetje anders, omdat er overheersende zogenaamde oppervlaktegolven zijn, die kenmerken van longitudinale golven en transversale golven combineren. Daarom verschillen de golven die in de diepten van het watermilieu bewegen sterk van die aan de oppervlakte.

Een blok dat op het zeeoppervlak drijft, heeft een soort heen en weer gaande of zacht draaiende beweging. Inderdaad, wanneer de golven op de kust breken, zijn het de longitudinale componenten van de golf die overheersen, en terwijl de boomstam reageert op de beweging van de watermoleculen die hem omringen, wordt hij ook waargenomen aan het oppervlak.

Figuur 2. Zeegolven op het oppervlak zijn golven die deels longitudinale golfkarakteristieken hebben en deels transversaal. Bron: Bron: Vargklo op en.wikipedia

Verband tussen diepte en golflengte

De factoren die bepalen welk type golf wordt geproduceerd zijn: de diepte van het water en de golflengte van de zeegolf. Als de diepte van het water op een bepaald punt d wordt genoemd en de golflengte λ is, gaan de golven van longitudinaal naar oppervlakkig wanneer:

Aan de oppervlakte krijgen de watermoleculen rotatiebewegingen die ze verliezen naarmate de diepte toeneemt. De wrijving van de watermassa met de bodem zorgt ervoor dat deze banen elliptisch worden, zoals weergegeven in figuur 2.

Op de stranden is het water bij de kust onrustiger omdat daar de golven breken, de waterdeeltjes op de bodem worden afgeremd en hierdoor meer water zich ophoopt op de ruggen. In diepere wateren wordt daarentegen waargenomen hoe de golven zachter worden.

Bij d >> λ / 2 hebben we diepwatergolven of korte golven, cirkelvormige of elliptische banen worden kleiner en overheersen longitudinale golven. En als d << λ / 2 zijn de golven afkomstig van oppervlaktewater of lange golven.

Verschillen met schuifgolven

Zowel longitudinale als transversale golven vallen in de categorie mechanische golven, die een materieel medium nodig hebben voor hun voortplanting.

Het belangrijkste onderscheid dat tussen de twee werd gemaakt, werd in het begin genoemd: bij transversale golven bewegen de deeltjes van het medium loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf, terwijl ze in longitudinale golven in dezelfde richting oscilleren gevolgd door de verstoring. Maar er zijn meer onderscheidende kenmerken:

Meer verschillen tussen transversale en longitudinale golven

- In een transversale golf worden toppen en dalen onderscheiden, die in de lengterichting gelijk zijn aan compressies en expansies.

- Een ander verschil is dat longitudinale golven niet gepolariseerd zijn omdat de richting van de snelheid van de golf dezelfde is als die van de beweging van de oscillerende deeltjes.

- De transversale golven kunnen zich voortplanten in elk medium en zelfs in een vacuüm, zoals elektromagnetische golven. Aan de andere kant, in vloeistoffen die stijfheid missen, hebben de deeltjes geen andere keus dan langs elkaar te glijden en te bewegen als de verstoring doet, dat wil zeggen in de lengterichting.

Als gevolg hiervan zijn de golven die ontstaan ​​in het midden van de oceanische en atmosferische massa longitudinaal, aangezien transversale golven media nodig hebben met voldoende stijfheid om de karakteristieke loodrechte bewegingen mogelijk te maken.

- Langsgolven veroorzaken variaties in druk en dichtheid in het medium waardoor ze zich voortplanten. Aan de andere kant hebben de transversale golven op deze manier geen invloed op het medium.

Overeenkomsten tussen longitudinale en transversale golven

Ze hebben dezelfde onderdelen gemeen: periode, amplitude, frequentie, cycli, fase en snelheid. Alle golven ondergaan reflectie, breking, diffractie, interferentie en het Doppler-effect en dragen energie door het medium.

Hoewel de pieken en dalen kenmerkend zijn voor een transversale golf, zijn de compressies in de longitudinale golf analoog aan de pieken en de uitbreidingen naar de dalen, zodanig dat beide golven dezelfde wiskundige beschrijving van sinusgolf of sinusgolf toelaten.

Voorbeelden van longitudinale golven

Geluidsgolven zijn de meest typische longitudinale golven en behoren tot de meest bestudeerde, aangezien ze de basis vormen voor communicatie en muzikale expressie, redenen voor hun belang in het leven van mensen. Bovendien hebben geluidsgolven belangrijke toepassingen in de geneeskunde, zowel bij diagnose als bij behandeling.

De ultrasone klanktechniek is bekend voor het verkrijgen van onder meer medische beelden, maar ook voor de behandeling van nierstenen. Echografie wordt gegenereerd door een piëzo-elektrisch kristal dat in staat is om een ​​longitudinale drukgolf te creëren wanneer er een elektrisch veld op wordt aangelegd (het produceert ook een stroom wanneer er druk op wordt uitgeoefend).

Om echt te zien hoe een longitudinale golf eruit ziet, niets beter dan schroefveren of slinkys. Door een kleine impuls aan de veer te geven, is het onmiddellijk te zien hoe de compressies en expansies zich afwisselend voortplanten tijdens de bochten.

- Seismische golven

Longitudinale golven maken ook deel uit van seismische bewegingen. Aardbevingen bestaan ​​uit verschillende soorten golven, waaronder P of primaire golven en S of secundaire golven. De eerste zijn longitudinaal, terwijl in de laatste de mediumdeeltjes trillen in een richting dwars op de verplaatsing van de golf.

Bij aardbevingen worden zowel longitudinale golven (primaire P-golven) als transversale golven (secundaire S-golven) en andere typen, zoals Rayleigh-golven en Love-golven, op het oppervlak geproduceerd.

In feite zijn longitudinale golven de enige waarvan bekend is dat ze door het centrum van de aarde reizen. Omdat ze alleen in vloeibare of gasvormige media bewegen, denken wetenschappers dat de kern van de aarde voornamelijk uit gesmolten ijzer bestaat.

- Applicatie-oefening

De P-golven en de S-golven die tijdens een aardbeving worden geproduceerd, reizen met verschillende snelheden op aarde, dus hun aankomsttijden op seismografische stations zijn verschillend (zie figuur 3). Dankzij dit is het mogelijk om de afstand tot het epicentrum van de aardbeving te bepalen door middel van triangulatie, met behulp van gegevens van drie of meer stations.

Figuur 3. De seismische golven P en S komen met verschillende tijden bij de seismografen aan, aangezien hun snelheden verschillen. Bron: Wikimedia Commons.

Stel dat v _P = 8 km / s de snelheid van de P-golven is, terwijl de snelheid van de S-golven v _S = 5 km / s is. De P-golven arriveren 2 minuten voor de eerste S. Hoe de afstand tot het epicentrum berekenen?

Antwoord

Laat D de afstand zijn tussen het epicentrum en het seismologische station. Met de aangeleverde gegevens kan de reistijd t _P en t _S van elke golf worden gevonden:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

Het verschil is Δt = t _S - t _P :

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

Oplossen voor de waarde van D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (Δt. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

Wetende dat 2 minuten = 120 seconden en de rest van de waarden vervangen:

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

Referenties

1. Verschil tussen transversale en longitudinale golven. Hersteld van: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Golven en kwantumfysica. Physics Series for Science and Engineering. Deel 7. Bewerkt door Douglas Figueroa. Simon Bolivar Universiteit. 1-58.
3. Infrageluid en echografie. Hersteld van: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 263-286.
5. Russell, D. longitudinale en transversale golfbeweging. Opgehaald van: acs.psu.edu.
6. Water golven. Teruggeplaatst van: labman.phys.utk.edu.