SÓNG BỀ MẶT: ĐẶC ĐIỂM, LOẠI VÀ VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2024

Sóng bề mặt là sóng mà các hạt dao động có chuyển động theo hai chiều, chẳng hạn như sóng được tạo ra khi thả một viên đá xuống ao hoặc hồ.

Loại sóng này xảy ra tại mặt phân cách giữa hai phương tiện khác nhau, chẳng hạn như đại dương và không khí, hoặc giữa bề mặt Trái đất và không khí. Đây là những sóng trong đó các hạt trải qua phương ngang kết hợp với chuyển vị dọc, tức là hai chiều.

Hình 1. Sóng mặt trong ao. Nguồn: Pixabay.

Ví dụ, các hạt nước trên bề mặt đại dương - sóng - chuyển động theo đường tròn. Khi sóng vỗ vào bờ, sự dịch chuyển theo chiều dọc chiếm ưu thế và do đó người ta nhìn thấy rong biển hoặc một mảnh gỗ trôi nổi chuyển động nhịp nhàng từ trước ra sau.

Sóng cũng di chuyển trên bề mặt Trái đất theo cách tương tự như sóng biển. Chúng di chuyển với tốc độ chậm hơn so với sóng di chuyển bên trong thể tích trái đất, nhưng chúng có khả năng gây ra cộng hưởng trong các tòa nhà dễ dàng hơn.

Vì sóng tạo ra rung động và mang theo năng lượng, chúng có tác dụng phá hủy trong các trận động đất.

Hình 2. Sóng bề mặt trong đại dương. Các hạt nước chuyển động theo chiều kim đồng hồ khi chuyển động của sóng từ trái sang phải. Tại điểm cao nhất chúng nằm trên đỉnh sóng, trong khi điểm thấp nhất được gọi là kênh. Nguồn của hình bên trái: F. Zapata. Nguồn hình bên phải: Giambattista, A. 2010. Vật lý. lần 2. Phiên bản. Đồi McGraw.

Các loại sóng bề mặt

Bất kỳ loại sóng nào, dù là sóng siêu hay không, đều là một nghiệm của phương trình sóng, được áp dụng cho hầu hết mọi loại chuyển động của sóng, không chỉ cơ học, như các ví dụ đã mô tả, mà còn cả sóng điện từ, là một các loại sóng khác nhau khi chúng là sóng ngang.

Phương trình sóng thu được theo định luật thứ hai của Newton, được viết như sau:

Trong phương trình trên, u là hàm sóng phụ thuộc vào ba tọa độ không gian x, y và z cộng với thời gian t: u = u (x, y, z, t). Hơn nữa v là vận tốc của nhiễu động. Phương trình sóng có thể được phát biểu trong các hệ tọa độ khác tùy thuộc vào dạng hình học yêu cầu.

Để tìm lời giải cho phương trình, nó được điều chỉnh theo các điều kiện của bài toán, trong đó, ví dụ, hình học được phân định và các tính chất của môi trường mà thông qua đó chuyển động nhiễu loạn được thiết lập.

Có nhiều loại sóng bề mặt, chẳng hạn như:

-Sóng hấp dẫn (sóng trọng lực) giống như sóng biển được mô tả ở phần đầu, trong đó lực hấp dẫn cung cấp một lực phục hồi cho phép chuyển động ngang.

- Bề mặt trương nở trong ao, đây là sức căng bề mặt của nước tác dụng lực hồi phục.

-Sóng đàn hồi bề mặt di chuyển trên bề mặt Trái đất trong trận động đất.

- Sóng điện từ, mặc dù là sóng ngang, có thể được hướng dẫn thích hợp để di chuyển trên bề mặt.

-Một số loại sóng tạo ra trong dây đàn guitar khi dây đàn bị tác động lực.

Sóng đàn hồi bề mặt trên bề mặt trái đất

Hình 3. Sóng bề mặt trên bề mặt trái đất. Chuyển động của các hạt là sự kết hợp của chuyển vị ngang và chuyển dọc. Nguồn: Giambattista, A. 2010. Vật lý. lần 2. Phiên bản. Đồi McGraw.

Khi giải phương trình sóng, các nghiệm, như chúng ta đã nói, tương ứng với các loại sóng khác nhau. Khi nhiễu động di chuyển trong môi trường rắn chẳng hạn như vỏ trái đất, có thể đưa ra một số giả thiết về nó để đơn giản hóa quá trình.

Vì lý do này, môi trường được coi là hoàn toàn đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng, có nghĩa là các tính chất của nó là như nhau bất kể vị trí hoặc hướng.

Với điều này, hai trong số các nghiệm của phương trình sóng trong môi trường đàn hồi tương ứng với sóng bề mặt:

- Sóng của Rayleigh, được đặt theo tên của Lord Rayleigh (1842-1919), nhà vật lý người Anh đầu tiên mô tả chúng.

-Waves of Love, của Augustus Love, nhà địa vật lý và toán học người Anh (1863-1940), người đã phát triển lý thuyết về những sóng này trong các công trình của ông về độ đàn hồi.

Trong địa chấn, những sóng này được gọi là sóng L, để phân biệt chúng với sóng P và sóng S, cả hai được coi là sóng thể tích (sóng cơ thể) cũng là một nghiệm của phương trình sóng với các điều kiện mô tả ở trên. Sóng P là sóng dọc và sóng S là sóng ngang.

Ví dụ về sóng bề mặt

Sóng Rayleigh

Trong sóng Rayleigh, các hạt đầu sóng dao động trong mặt phẳng thẳng đứng, do đó chúng được cho là phân cực thẳng đứng. Các hạt chuyển động theo hình elip, không giống như sóng trên bề mặt đại dương, chuyển động của chúng là hình tròn, như đã nói ở phần đầu (mặc dù ở gần bờ biển, chúng khá elip).

Trục chính của hình elip là thẳng đứng và trục nhỏ hướng theo hướng truyền, như thể hiện trong hình. Cũng có lưu ý rằng chuyển động là ngược chiều, tức là nó được thực hiện theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.

Hình 4. Sóng Rayleigh. Nguồn: Lowrie, W. 2007. Các nguyên tắc cơ bản của Địa vật lý. lần 2. Phiên bản. Nhà xuất bản Đại học Cambridge.

Một điểm khác biệt quan trọng với sóng nước là sóng Rayleigh chỉ có thể lan truyền trong môi trường rắn, vì có lực cắt không xảy ra trong chất lỏng.

Biên độ dịch chuyển của hạt giảm theo cấp số nhân theo độ sâu, vì sóng bị giới hạn trên bề mặt, mặc dù nếu là một trận động đất cường độ cao, sóng có thể quay quanh Trái đất vài lần trước khi tắt hẳn. .

Sóng tình

Trong sóng Tình yêu, các hạt phân cực theo phương ngang và có biên độ lớn chuyển động song song với bề mặt. Chúng di chuyển với tốc độ chậm hơn một chút so với sóng Rayleigh, mặc dù tốc độ trong các loại sóng này phụ thuộc vào bước sóng (sóng phân tán).

Để các sóng này lan truyền, phải có một lớp tốc độ thấp chồng lên ít nhất một lớp tốc độ cao hơn ở giữa. Giống như sóng Rayleigh, sóng Tình yêu được tạo ra trong một trận động đất có thể bao quanh Trái đất nhiều lần trước khi phân tán năng lượng của chúng.

Hình 5. Sóng Tình. Nguồn: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Địa chấn

Người ta thường tìm thấy dạng sóng Rayleigh này, được gọi là sóng cuộn trên mặt đất, trong các hồ sơ thăm dò địa chấn. Nó được coi là tiếng ồn và cần phải tránh, vì do biên độ lớn của nó, đôi khi nó che khuất những phản xạ mà bạn đang muốn thấy.

Sóng biển

Ở độ sâu lớn, sóng biển là sóng dọc, giống như sóng âm. Điều này có nghĩa là hướng lan truyền của nó giống với hướng mà các hạt dao động.

Tuy nhiên, sóng, gần bề mặt, có cả thành phần dọc và ngang, làm cho các hạt đi theo một đường gần như tròn (xem hình 2 bên phải).

Hình 6. Sóng biển là sóng bề mặt. Nguồn: Pixabay.

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. 2005. Sóng và Vật lý lượng tử. Loạt bài Vật lý dành cho Khoa học và Kỹ thuật. Chỉnh sửa bởi D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Vật lý. Đồi McGraw.
3. Lowrie, W. 2007. Các nguyên tắc cơ bản của Địa vật lý. lần 2. Phiên bản. Nhà xuất bản Đại học Cambridge.
4. Wikipedia. Sóng tình. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Sóng Rayleigh. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Sóng bề mặt. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.