OPPERVLAKTEGOLVEN: KENMERKEN, SOORTEN EN VOORBEELDEN - FYSIEK - 2025

Oppervlakte golven zijn die waarin de deeltjes trillende beweging in twee dimensies, zoals de golven die worden geproduceerd wanneer een steen valt in een vijver of meer.

Dit type golf komt voor op het grensvlak tussen twee verschillende media, zoals de oceaan en de lucht, of tussen het aardoppervlak en de lucht. Dit zijn golven waarin de deeltjes transversaal worden gecombineerd met longitudinale verplaatsingen, dat wil zeggen tweedimensionaal.

Figuur 1. Oppervlaktegolven in een vijver. Bron: Pixabay.

De waterdeeltjes op het oceaanoppervlak - golven - bewegen bijvoorbeeld in cirkelvormige paden. Wanneer de golven op de kust breken, overheersen longitudinale verplaatsingen en daarom wordt het zeewier of een stuk hout dat drijft soepel van voren naar achteren zien bewegen.

Golven bewegen ook op het aardoppervlak op een manier die analoog is aan oceaangolven. Ze reizen met een lagere snelheid dan de golven die intern door het volume van de aarde bewegen, maar ze zijn in staat om gemakkelijker resonantie in gebouwen te veroorzaken.

Omdat golven trillingen produceren en energie transporteren, hebben ze vernietigende effecten tijdens aardbevingen.

Figuur 2. Oppervlaktegolven in de oceaan. De waterdeeltjes bewegen met de klok mee als de beweging van de golf van links naar rechts is. Op het hoogste punt bevinden ze zich op de top van de golf, terwijl het laagste punt het kanaal wordt genoemd. Bron van de linker figuur: F. Zapata. Bron rechter figuur: Giambattista, A. 2010. Fysica. 2e. Editie. McGraw Hill.

Soorten oppervlaktegolven

Elk type golf, al dan niet oppervlakkig, is een oplossing van de golfvergelijking, die van toepassing is op bijna elk type golfbeweging, niet alleen mechanisch, zoals in de beschreven voorbeelden, maar ook elektromagnetische golven, die een verschillende soorten golven omdat ze transversaal zijn.

De golfvergelijking, die wordt verkregen met inachtneming van de tweede wet van Newton, wordt als volgt geschreven:

In de bovenstaande vergelijking is u de golffunctie die afhangt van de drie ruimtelijke coördinaten x, y en z plus tijd t: u = u (x, y, z, t). Verder is v de snelheid van de storing. De golfvergelijking kan in andere coördinatensystemen worden vermeld, afhankelijk van de vereiste geometrie.

Om de oplossing voor de vergelijking te vinden, wordt deze aangepast aan de omstandigheden van het probleem, waarbij bijvoorbeeld de geometrie wordt afgebakend en de eigenschappen van het medium waardoor de storing beweegt, worden vastgesteld.

Er zijn veel soorten oppervlaktegolven, zoals:

-Gravitatiegolven (zwaartekrachtgolven) zoals oceaangolven die in het begin zijn beschreven, waarbij de zwaartekracht een herstellende kracht levert die transversale beweging mogelijk maakt.

-Oppervlaktegolf in een vijver, hier is de oppervlaktespanning van het water die als herstellende kracht uitoefent.

- Oppervlakte elastische golven die tijdens een aardbeving over het aardoppervlak bewegen.

-Elektromagnetische golven, die ondanks dat ze transversaal zijn, goed kunnen worden geleid om over een oppervlak te bewegen.

-Sommige soorten golven die worden geproduceerd in de snaren van een gitaar wanneer de snaren met kracht worden aangeslagen.

Oppervlakkige elastische golven op het aardoppervlak

Figuur 3. Oppervlaktegolf op het aardoppervlak. De beweging van de deeltjes is een combinatie van transversale en longitudinale verplaatsingen. Bron: Giambattista, A. 2010. Fysica. 2e. Editie. McGraw Hill.

Bij het oplossen van de golfvergelijking komen de oplossingen, zoals we al zeiden, overeen met verschillende soorten golven. Wanneer de verstoring zich verplaatst in een vast medium zoals de aardkorst, is het mogelijk om er enkele aannames over te doen die het proces vereenvoudigen.

Om deze reden wordt het medium als perfect elastisch, homogeen en isotroop beschouwd, wat betekent dat de eigenschappen hetzelfde zijn, ongeacht de positie of richting.

Met dit in gedachten komen twee van de oplossingen voor de golfvergelijking in een elastisch medium overeen met oppervlaktegolven:

- Waves of Rayleigh, genoemd naar Lord Rayleigh (1842-1919), de Britse natuurkundige die ze voor het eerst beschreef.

-Golven van liefde, door Augustus Love, Britse geofysicus en wiskundige (1863-1940) die de theorie van deze golven ontwikkelde in zijn werken over elasticiteit.

In seismisch worden deze golven L-golven genoemd, om ze te onderscheiden van P-golven en S-golven, beide beschouwd als volumegolven (lichaamsgolven) die ook een oplossing zijn voor de golfvergelijking met de hierboven beschreven omstandigheden. P-golven zijn longitudinaal en S-golven zijn transversaal.

Voorbeelden van oppervlaktegolven

Rayleigh zwaait

In een Rayleigh-golf trillen de golffrontdeeltjes in het verticale vlak, daarom wordt gezegd dat ze verticaal gepolariseerd zijn. De deeltjes bewegen in een ellips, in tegenstelling tot de golven op het oppervlak van de oceaan, waarvan de beweging cirkelvormig is, zoals in het begin werd gezegd (hoewel ze nabij de kust nogal elliptisch zijn).

De hoofdas van de ellips is verticaal en de secundaire as volgt de voortplantingsrichting, zoals weergegeven in de figuur. Daar wordt ook opgemerkt dat de beweging retrograde is, dat wil zeggen dat deze tegen de klok in wordt uitgevoerd.

Figuur 4. Rayleigh-golf. Bron: Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2e. Editie. Cambridge University Press.

Een ander belangrijk verschil met watergolven is dat Rayleigh-golven zich alleen kunnen voortplanten in vaste media, aangezien er een afschuifkracht is die niet optreedt in vloeistoffen.

De amplitude van de verplaatsing van de deeltjes neemt exponentieel af met de diepte, aangezien de golf beperkt blijft tot het oppervlak, hoewel als het een aardbeving met hoge intensiteit is, de golven verschillende keren om de aarde kunnen cirkelen voordat ze volledig verdwijnen. .

Golven van liefde

In liefdesgolven zijn de deeltjes horizontaal gepolariseerd en hebben ze een grote bewegingsamplitude parallel aan het oppervlak. Ze bewegen met een iets langzamere snelheid dan Rayleigh-golven, hoewel de snelheid in dit soort golven afhangt van de golflengte (dispersieve golf).

Om deze golven te laten voortplanten, moet er een laag met lage snelheid zijn die in het midden op ten minste één laag met een hogere snelheid wordt gelegd. Net als Rayleigh-golven kunnen liefdesgolven die tijdens een aardbeving worden geproduceerd, verschillende keren om de aarde cirkelen voordat ze hun energie verspreiden.

Figuur 5. Golven van liefde. Bron: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Gemalen rol

Het is gebruikelijk om deze variant van Rayleigh-golven, grondrol genoemd, te vinden in seismische verkenningsrecords. Het wordt als ruis beschouwd en moet worden vermeden, omdat het vanwege zijn grote amplitude soms de reflecties maskeert die u zoekt.

oceaangolven

Op grote diepte zijn oceaangolven longitudinale golven, zoals die van geluid. Dit betekent dat de voortplantingsrichting dezelfde is als de richting waarin de deeltjes trillen.

De golf, nabij het oppervlak, heeft echter zowel longitudinale als transversale componenten, waardoor de deeltjes een bijna cirkelvormig pad volgen (zie figuur 2 rechts).

Figuur 6. Oceaangolven zijn oppervlaktegolven. Bron: Pixabay.

Referenties

1. Figueroa, D. 2005. Golven en kwantumfysica. Physics Series for Science and Engineering. Bewerkt door D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Physics. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2e. Editie. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Golven van liefde. Hersteld van: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleigh zwaait. Hersteld van: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Oppervlaktegolven. Hersteld van: en.wikipedia.org.