SÓNG DỌC: ĐẶC ĐIỂM, SỰ KHÁC BIỆT, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Các sóng dọc được thể hiện trong phương tiện vật chất, trong đó các hạt song song dao động với hướng sóng di chuyển. như sẽ thấy trong các hình ảnh sau đây. Đây là tính năng đặc biệt của nó.

Sóng âm, một số sóng xuất hiện trong một trận động đất và những sóng được tạo ra trong lò xo hoặc lò xo khi nó được cung cấp một xung lực nhỏ theo cùng hướng trục của nó, là những ví dụ điển hình về loại sóng này.

Hình 1. Âm thanh là một sóng dọc tạo ra những nén và giãn ra liên tiếp trong không khí. Nguồn: Wikimedia Commons. Pluke

Âm thanh được tạo ra khi một vật (chẳng hạn như âm thoa của hình vẽ, một nhạc cụ hoặc đơn giản là dây thanh âm) được tạo ra dao động trong môi trường có khả năng truyền nhiễu thông qua dao động của các phân tử của nó. Không khí là một môi trường thích hợp, nhưng chất lỏng và chất rắn cũng vậy.

Sự xáo trộn lặp đi lặp lại làm thay đổi áp suất và mật độ của môi chất. Bằng cách này, sóng tạo ra nén và giãn nở (các giao dịch hiếm) trong các phân tử của môi trường, khi năng lượng di chuyển ở một tốc độ v .

Những thay đổi về áp suất này được tai nhận biết thông qua các rung động trong màng nhĩ, mạng lưới dây thần kinh chịu trách nhiệm biến đổi thành các dòng điện cực nhỏ. Khi đến não, nó diễn giải chúng thành âm thanh.

Trong một sóng dọc, mô hình lặp lại liên tục được gọi là một chu kỳ và thời gian của nó là chu kỳ của sóng. Ngoài ra còn có biên độ, là cường độ cực đại và được đo theo độ lớn được lấy làm tham chiếu, trong trường hợp âm thanh, nó có thể là sự biến thiên của áp suất trong môi trường.

Một tham số quan trọng khác là bước sóng: khoảng cách giữa hai lần nén hoặc mở rộng liên tiếp, xem hình 1. Trong Hệ thống quốc tế, bước sóng được đo bằng mét. Cuối cùng là tốc độ của nó (tính bằng mét / giây đối với Hệ thống quốc tế), cho biết tốc độ truyền năng lượng.

Sóng dọc xuất hiện trong sóng biển như thế nào?

Trong một thủy thể, sóng được tạo ra bởi nhiều nguyên nhân (thay đổi áp suất, gió, tương tác hấp dẫn với các ngôi sao khác). Theo cách này, sóng biển có thể được phân loại thành:

- Sóng gió

- Thủy triều

- Sóng thần

Việc mô tả các sóng này khá phức tạp. Nói chung, ở những vùng nước sâu, sóng di chuyển theo chiều dọc, tạo ra sự nén và giãn nở theo chu kỳ của môi trường, như đã mô tả ở phần đầu.

Tuy nhiên, trên bề mặt biển thì hơi khác một chút, vì có cái gọi là sóng bề mặt chiếm ưu thế, kết hợp các đặc điểm của sóng dọc và sóng ngang. Do đó, sóng di chuyển ở độ sâu của môi trường nước khác rất nhiều so với sóng di chuyển trên bề mặt.

Một khúc gỗ nổi trên mặt biển có dạng chuyển động tịnh tiến hoặc quay nhẹ. Thật vậy, khi sóng vỡ vào bờ, các thành phần dọc của sóng chiếm ưu thế, và khi khúc gỗ phản ứng với chuyển động của các phân tử nước xung quanh nó, nó cũng được quan sát thấy đến và đi trên bề mặt.

Hình 2. Sóng biển trên bề mặt là sóng một phần có đặc tính sóng dọc và một phần sóng ngang. Nguồn: Nguồn: Vargklo tại en.wikipedia

Mối quan hệ giữa độ sâu và bước sóng

Các yếu tố quyết định loại sóng được tạo ra là: độ sâu của nước và bước sóng của sóng biển. Nếu gọi độ sâu của nước tại một điểm cho trước là d và bước sóng là λ, thì sóng truyền từ sóng dọc sang sóng siêu âm khi:

Trên bề mặt, các phân tử nước có được các chuyển động quay mà chúng mất đi khi độ sâu tăng lên. Ma sát của khối nước với đáy làm cho các quỹ đạo này trở thành hình elip, như trong hình 2.

Ở các bãi biển, vùng nước gần bờ không yên vì ở đó sóng đánh vỡ, các hạt nước ở dưới đáy chậm lại và điều này làm cho nước tích tụ nhiều hơn trên các rặng núi. Mặt khác, ở những vùng nước sâu hơn, người ta cảm nhận được cách sóng dịu đi.

Khi d >> λ / 2 chúng ta có sóng nước sâu hoặc sóng ngắn, quỹ đạo hình tròn hoặc hình elip giảm kích thước và sóng dọc chiếm ưu thế. Và nếu d << λ / 2 thì sóng là từ mặt nước hoặc sóng dài.

Sự khác biệt với sóng cắt

Cả sóng dọc và sóng ngang đều thuộc loại sóng cơ học, cần một môi trường vật chất cho sự lan truyền của chúng.

Sự khác biệt chính giữa hai điều này đã được đề cập ở phần đầu: trong sóng ngang, các phần tử của môi trường chuyển động vuông góc với phương truyền của sóng, trong khi trong sóng dọc, chúng dao động cùng phương và kéo theo nhiễu. Nhưng có nhiều tính năng đặc biệt hơn:

Thêm sự khác biệt giữa sóng ngang và sóng dọc

- Trong sóng ngang, đỉnh và rãnh được phân biệt, theo chiều dọc tương đương với nén và giãn.

- Một điểm khác biệt nữa là sóng dọc không phân cực vì hướng của tốc độ của sóng giống với hướng chuyển động của các hạt dao động.

- Sóng ngang có thể lan truyền trong mọi môi trường và ngay cả trong chân không, chẳng hạn như sóng điện từ. Mặt khác, bên trong chất lỏng, thiếu độ cứng, các hạt không có lựa chọn nào khác ngoài việc trượt qua nhau và di chuyển khi nhiễu động xảy ra, tức là theo chiều dọc.

Do đó, các sóng bắt nguồn từ giữa các khối lượng đại dương và khí quyển là theo chiều dọc, vì sóng ngang yêu cầu phương tiện có đủ độ cứng để cho phép chuyển động vuông góc đặc trưng.

- Sóng dọc gây ra sự thay đổi áp suất và mật độ trong môi trường mà chúng truyền qua. Mặt khác, sóng ngang không ảnh hưởng đến môi trường theo cách này.

Điểm giống nhau giữa sóng dọc và sóng ngang

Chúng có những điểm chung giống nhau: chu kỳ, biên độ, tần số, chu kỳ, pha và tốc độ. Tất cả các sóng trải qua phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa và hiệu ứng Doppler và mang năng lượng qua môi trường.

Mặc dù các đỉnh và thung lũng là đặc trưng của sóng ngang, nhưng lực nén trong sóng dọc cũng tương tự như các đỉnh và sự mở rộng tới các thung lũng, theo cách mà cả hai sóng đều thừa nhận cùng một mô tả toán học về sóng hình sin hoặc hình sin.

Ví dụ về sóng dọc

Sóng âm là sóng dọc điển hình nhất và là một trong những sóng được nghiên cứu nhiều nhất, vì chúng là nền tảng của giao tiếp và biểu đạt âm nhạc, lý do cho tầm quan trọng của chúng trong cuộc sống của con người. Ngoài ra, sóng âm thanh có những ứng dụng quan trọng trong y học, cả trong chẩn đoán và điều trị.

Kỹ thuật siêu âm nổi tiếng với việc thu được hình ảnh y tế, cũng như điều trị sỏi thận, trong số các ứng dụng khác. Siêu âm được tạo ra bởi một tinh thể áp điện có khả năng tạo ra sóng áp suất dọc khi có điện trường (nó cũng tạo ra dòng điện khi có áp suất tác dụng).

Để thực sự thấy sóng dọc trông như thế nào, không gì tốt hơn là lò xo cuộn hoặc ổ trượt. Bằng cách cho một xung lực nhỏ vào lò xo, ngay lập tức có thể quan sát thấy lực nén và độ giãn ra được truyền luân phiên như thế nào trong suốt lượt.

- Sóng địa chấn

Sóng dọc cũng là một phần của chuyển động địa chấn. Động đất bao gồm các loại sóng khác nhau, trong đó sóng P hoặc sóng chính và S hoặc sóng thứ cấp. Hạt trước là dọc, trong khi hạt môi trường dao động theo phương ngang với sự dịch chuyển của sóng.

Trong các trận động đất, cả sóng dọc (sóng P sơ cấp) và sóng ngang (sóng S thứ cấp) và các loại khác, chẳng hạn như sóng Rayleigh và sóng Tình yêu, đều được tạo ra trên bề mặt.

Trên thực tế, sóng dọc là sóng duy nhất được biết là di chuyển qua tâm Trái đất. Vì chúng chỉ di chuyển trong môi trường lỏng hoặc khí nên các nhà khoa học cho rằng lõi Trái đất được cấu tạo chủ yếu từ sắt nóng chảy.

- Bài tập ứng dụng

Sóng P và sóng S được tạo ra trong một trận động đất di chuyển với tốc độ khác nhau trên Trái đất, do đó thời gian đến của chúng tại các trạm địa chấn là khác nhau (xem hình 3). Nhờ đó, có thể xác định khoảng cách đến tâm chấn của trận động đất bằng phương pháp tam giác, sử dụng dữ liệu từ ba trạm trở lên.

Hình 3. Các sóng địa chấn P và S đến các điểm địa chấn với thời gian khác nhau, vì tốc độ của chúng khác nhau. Nguồn: Wikimedia Commons.

Giả sử rằng v _P = 8 km / s là tốc độ của sóng P, còn tốc độ của sóng S là v _S = 5 km / s. Sóng P đến trước sóng S. Làm thế nào để tính khoảng cách từ tâm chấn?

Đáp lại

Gọi D là khoảng cách giữa tâm chấn và trạm địa chấn. Với dữ liệu được cung cấp, thời gian di chuyển t _P và t _S của mỗi sóng có thể được tìm thấy:

v _P = D / t _P

v _S = Đ / t _S

Sự khác biệt là Δt = t _S - t _P :

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

Giải cho giá trị của D:

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

Biết rằng 2 phút = 120 giây và thay các giá trị còn lại vào:

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

Người giới thiệu

1. Sự khác biệt giữa Sóng ngang và Sóng dọc. Phục hồi từ: Physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. Sóng và Vật lý lượng tử. Loạt bài Vật lý dành cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 7. Do Douglas Figueroa biên tập. Đại học Simon Bolivar. 1-58.
3. Siêu âm và siêu âm. Được khôi phục từ: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề. 263-286.
5. Russell, D. Chuyển động sóng dọc và sóng ngang. Lấy từ: acs.psu.edu.
6. Sóng nước. Lấy từ: labman.phys.utk.edu.