Võite ette kujutada, millised on mehaanilised lained, visates kivi vette. Sellel ilmuvad ringid, mis on vahelduvad lohud ja kaljud, on mehaaniliste lainete näide. Mis on nende olemus? Mehaanilised lained on vibratsiooni levimise protsess elastses keskkonnas.
Lained vedelatel pindadel
Sellised mehaanilised lained eksisteerivad molekulidevaheliste jõudude ja gravitatsiooni mõju tõttu vedeliku osakestele. Inimesed on seda nähtust juba pikka aega uurinud. Kõige tähelepanuväärsemad on ookeani- ja merelained. Tuule kiiruse kasvades need muutuvad ja nende kõrgus suureneb. Keerulisemaks muutub ka lainete endi kuju. Ookeanis võivad nad saavutada hirmutavad mõõtmed. Üks selgemaid jõu näiteid on tsunami, mis pühib minema kõik, mis oma teelt läheb.
Mere- ja ookeanilainete energia
Kaldale jõudes merelained suurenevad järsu sügavuse muutumisega. Mõnikord ulatuvad nad mitme meetri kõrgusele. Sellistel hetkedel kandub kolossaalse veemassi kineetiline energia rannikuäärsetele takistustele, mis selle mõjul kiiresti hävivad. Surfi tugevus ulatub mõnikord suurejooneliste väärtusteni.
Elastsed lained
Mehaanikas ei uurita mitte ainult vibratsiooni vedeliku pinnal, vaid ka nn elastseid laineid. Need on häired, mis levivad erinevates keskkondades neis olevate elastsusjõudude toimel. Selline häirimine on antud keskkonna osakeste igasugune kõrvalekalle tasakaaluasendist. Hea näide elastsuslainetest on ühest otsast millegi külge kinnitatud pikk köis või kummitoru. Kui tõmbate selle pingule ja tekitate külgsuunalise järsu liigutusega selle teises (fikseerimata) otsas häiringu, näete, kuidas see "jookseb" kogu trossi pikkuses toeni ja peegeldub tagasi.
Mehaaniliste lainete allikas
Esialgne häiritus põhjustab laine ilmumist keskkonnas. Seda põhjustab mingi võõrkeha toime, mida füüsikas nimetatakse laine allikaks. See võib olla köit õõtsuva inimese käsi või vette visatud kivike. Kui allika tegevus on lühiajaline, ilmub keskkonnas sageli üksildane laine. Kui segaja teeb pikki võnkuvaid liigutusi, hakkavad üksteise järel ilmuma lained.
Mehaaniliste lainete esinemise tingimused
Sellist võnkumist ei teki alati. Nende ilmnemise vajalik tingimus on seda takistavate jõudude, eriti elastsuse, häirimise hetkel. Nad kalduvad naaberosakesi üksteisele lähemale tooma, kui nad lahku lähevad, ja tõukavad neid üksteisest eemale, kui nad lähenevad. Elastsed jõud, mis mõjuvad kaugelosakeste häirimise allikaks, hakata neid tasakaalust välja viima. Aja jooksul osalevad kõik keskkonna osakesed ühes võnkuvas liikumises. Selliste võnkumiste levimine on laine.
Mehaanilised lained elastses keskkonnas
Elastsel lainel on korraga kahte tüüpi liikumist: osakeste võnkumine ja häirete levik. Pikilaine on mehaaniline laine, mille osakesed võnguvad selle levimise suunas. Ristlaine on laine, mille keskmised osakesed võnguvad üle selle levimissuuna.
Mehaaniliste lainete omadused
Pikilaine häired on harvendamine ja kokkusurumine ning põiklaines on need keskkonna mõne kihi nihked (nihked) teiste suhtes. Kompressioonideformatsiooniga kaasneb elastsusjõudude ilmnemine. Sel juhul on nihkedeformatsioon seotud elastsusjõudude ilmnemisega eranditult tahketes ainetes. Gaasilises ja vedelas keskkonnas ei kaasne nende keskkondade kihtide nihkumisega nimetatud jõu ilmnemine. Oma omaduste tõttu võivad pikilained levida mis tahes keskkonnas, samas kui põiklained võivad levida ainult tahkistes.
Lainete omadused vedelike pinnal
Lained vedeliku pinnal ei ole piki- ega põikisuunalised. Neil on keerulisem, nn piki-risti iseloom. Sel juhul liiguvad vedelikuosakesed ringikujuliselt või piki piklikke ellipse. Osakeste ringliikumisega vedeliku pinnal ja eriti suurte võnkumiste ajal kaasneb nende aeglane, kuid pidevliikudes laine levimise suunas. Just need vees esinevate mehaaniliste lainete omadused põhjustavad erinevate mereandide ilmumist kaldale.
Mehaanilise laine sagedus
Kui elastses keskkonnas (vedel, tahke, gaasiline) ergastatakse selle osakeste vibratsioon, siis nende omavahelise vastasmõju tõttu levib see kiirusega u. Seega, kui võnkuv keha on gaasilises või vedelas keskkonnas, hakkab selle liikumine kanduma üle kõigile sellega külgnevatele osakestele. Nad kaasavad protsessi järgmised ja nii edasi. Sel juhul hakkavad absoluutselt kõik keskkonna punktid võnkuma sama sagedusega, mis on võrdne võnkuva keha sagedusega. See on laine sagedus. Teisisõnu võib seda väärtust iseloomustada kui laine levimise keskkonna punktide võnkesagedust.
See protsess ei pruugi kohe selgeks saada. Mehaanilised lained on seotud võnkuva liikumise energia ülekandega selle allikast keskkonna perifeeriasse. Selle tulemusena tekivad nn perioodilised deformatsioonid, mida laine kannab ühest punktist teise. Sellisel juhul ei liigu meediumi osakesed ise lainega kaasa. Nad võnguvad oma tasakaaluasendi lähedal. Sellepärast ei kaasne mehaanilise laine levimisega aine kandumist ühest kohast teise. Mehaanilistel lainetel on erinev sagedus. Seetõttu jagati need vahemikeks ja loodi spetsiaalne skaala. Sagedust mõõdetakse hertsides (Hz).
Põhivalemid
Mehaanilised lained, mille arvutusvalemid on üsna lihtsad, on huvitav objekt, mida uurida. Lainekiirus (υ) on selle eesmise liikumise kiirus (kõikide punktide asukoht, milleni meediumi võnkumine on hetkel jõudnud):
υ=√G/ ρ, kus ρ on keskkonna tihedus, G on elastsusmoodul.
Arvutamisel ärge ajage segi mehaanilise laine kiirust keskkonnas ja keskkonna osakeste liikumiskiirust, mis osalevad laineprotsessis. Nii näiteks levib helilaine õhus selle molekulide keskmise vibratsioonikiirusega 10 m/s, samal ajal kui helilaine kiirus tavatingimustes on 330 m/s.
Lainerindel on palju vorme, millest lihtsaimad on:
• Sfääriline – põhjustatud kõikumisest gaasilises või vedelas keskkonnas. Sel juhul kahaneb laine amplituud kaugusega allikast pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga.
• Tasapind – on laine levimise suunaga risti asetsev tasapind. See tekib näiteks suletud kolvisilindris, kui see võngub. Tasapinnalist lainet iseloomustab peaaegu konstantne amplituud. Selle mõningane vähenemine häireallika kauguse tõttu on seotud gaasilise või vedela keskkonna viskoossusastmega.
Lainepikkus
Lainepikkuse all mõistetakse vahemaad, mille võrra selle esiosa liigub aja jooksul, misvõrdub keskkonna osakeste võnkeperioodiga:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, kus T on võnkeperiood, υ on laine kiirus, ω on tsükliline sagedus, ν on keskmiste punktide võnkesagedus.
Kuna mehaanilise laine levimiskiirus sõltub täielikult keskkonna omadustest, muutub selle pikkus λ üleminekul ühelt keskkonn alt teisele. Sel juhul jääb võnkesagedus ν alati samaks. Mehaanilised ja elektromagnetlained on sarnased selle poolest, et kui nad levivad, siis energia kandub üle, kuid ainet ei kanta üle.
