A formação de ondas na superfície da água é chamada de agitação.
As ondas observadas na superfície da água são divididas em:
- Ondas de atrito:
- vento, formado como resultado da ação do vento
- profundo
- Maremotos.
- Ondas de gravidade:
- ondas de gravidade em águas rasas
- ondas de gravidade em águas profundas
- ondas sísmicas (tsunamis) que surgem nos oceanos como resultado de um terremoto (ou atividade vulcânica) e atingem uma altura de 10 a 30 m da costa.
- ondas do navio
Nas áreas costeiras do mar, apenas as ondas de vento (ondas de atrito) são significativas.
As ondas de vento surgem com o vento, com a cessação do vento, essas ondas na forma de um swell morto, desaparecendo gradualmente, continuam a se mover na mesma direção. As ondas de vento dependem do tamanho do espaço de água aberto para a aceleração da onda, velocidade do vento e tempo de sua ação em uma direção, bem como a profundidade. À medida que a profundidade diminui, a onda torna-se íngreme.
As ondas de vento não são simétricas, sua inclinação a barlavento é suave, a inclinação a sotavento é íngreme. Como o vento age com mais força na parte superior da onda do que na parte inferior, a crista da onda se desfaz, formando “cordeiros”. Em mar aberto, os "cordeiros" são formados quando o vento é chamado de "fresco" (vento com força de 5 pontos e velocidade de 8,0-10,7 m/s, ou 33 km/h).
Inchar- uma onda que continua após o vento já ter diminuído, enfraquecido ou mudado de direção. A excitação, propagando-se por inércia com calma completa, é chamada de onda morta.
Quando ondas de diferentes pontos se encontram em uma determinada área, uma multidão. Uma pilha caótica de ondas formada quando ondas diretas encontram as refletidas também é multidão.
Quando as ondas passam sobre bancos, recifes e pedras, disjuntores.
A corrida das ondas para a costa com um aumento de altura e inclinação e subsequente reviravolta é chamada de surfar.
A rebentação adquire um carácter diferente consoante a costa: rasa (possuindo pequenos ângulos de inclinação e grande largura da vertente submarina) ou profunda (possuindo vertentes significativas da vertente submarina).
O tombamento da crista de uma onda viajante em um banco íngreme se forma falhas reversas com grande poder destrutivo.
© Yuri Danilevsky: tempestade de novembro. Sebastopol
Quando a rebentação atinge uma costa rasa que se eleva abruptamente para fora da água, a quebra da onda ocorre apenas quando atinge a costa. Nesse caso, forma-se uma onda reversa, que se encontra com a próxima e reduz sua força de impacto, e então uma nova onda corre e atinge a costa novamente.
Tais impactos de ondas no caso de uma grande ondulação ou ondas fortes são frequentemente acompanhados por ondas de uma altura considerável.
© Tempestade em Sebastopol, 11 de novembro de 2007
Nas margens do Mar Negro, a força de impacto de uma onda pode chegar a 25 toneladas por 1 m 2.
Ao rebater, a onda ganha uma força tremenda. Nas ilhas Shetland, ao norte da Escócia, existem fragmentos de rochas gnáissicas, com peso de 6 a 13 toneladas, lançados pela arrebentação a uma altura de até 20 m acima do nível do mar.
O rápido avanço das ondas e ondulação em terra é chamado de cambaleando.
As ondas são corretas quando suas cristas são claramente distinguíveis, e incorretas quando as ondas não têm cristas claramente definidas e são formadas sem qualquer regularidade visível.
cristas de ondas perpendicular à direção do vento em mar aberto, lago, reservatório, mas perto da costa eles se posicionam, paralela ao litoral correndo para a costa.
A direção da propagação das ondas em mar aberto é indicada na superfície da água por uma família de faixas paralelas de espuma - um traço de cristas de ondas em colapso.
Até agora consideramos apenas unidimensional(1-d ) ondas, ou seja, ondas se propagando em uma corda, em linear meio Ambiente. Não menos familiar para nós bidimensional ondas na forma de longas cadeias de montanhas e depressões bidimensional superfície da água. O próximo passo na discussão das ondas, temos que fazer no espaço de dois ( 2d ) e três ( 3d ) Medidas. Novamente, nenhum novo princípio físico será usado; a tarefa é simplesmente Descrição processos ondulatórios.
Começaremos a discussão retornando à situação simples com a qual este capítulo começou - impulso de onda única . No entanto, agora não será uma perturbação na corda, mas surto na superfície do reservatório. respingo resolve sob seu próprio peso, e áreas adjacentes, experimentando aumento da pressão, Aumentar iniciando a propagação da onda. Este processo é mostrado em seção transversal. arroz. 7-7(a). A lógica adicional de considerar a situação é exatamente a mesma já utilizada no estudo dos efeitos que surgem após um forte golpe na parte central da corda. Mas desta vez a onda pode se mover tudo instruções. Não tendo nenhuma razão para preferir uma direção a outra, a onda se propaga em todas as direções. O resultado é o círculo familiar de ondulações cada vez maiores na superfície de um corpo de água parado, veja a fig. arroz. 7-7(b).
são bem conhecidos por nós e apartamento
ondas na superfície da água - aquelas ondas cujas cristas formam linhas longas, às vezes quase paralelas, na superfície da água. Estas são as mesmas ondas que periodicamente rolam na costa. Uma característica interessante deste tipo de ondas é a forma como ultrapassam obstáculos - por exemplo, buracos numa parede contínua. quebra-mar. Foto 7-8
ilustra esse processo. Se o tamanho do buraco for comparável ao comprimento de onda, então cada onda sucessiva cria uma onda dentro do buraco, que, como na Fig. 7-7, serve como fonte de ondulações redondas na área de água do porto. Como resultado, entre o quebra-mar e a costa, concêntrico
, “anel” ondas.
Esse fenômeno é conhecido como difração ondas. Se a largura do buraco no quebra-mar for muito maior que o comprimento de onda, isso não acontecerá - as ondas que passaram pelo obstáculo manterão sua forma plana, exceto que ocorrerão distorções fracas nas bordas da onda
Como as ondas na superfície da água, existem ondas tridimensionais ondas (3d -ondas) . Aqui o exemplo mais conhecido é som ondas. A crista de uma onda sonora é a área espessamento moléculas de ar. Figura semelhante à fig. 7-7 para o caso 3D representaria uma onda em expansão na forma de uma esfera .
Todas as ondas têm a propriedade refração
. Este é o efeito que ocorre quando uma onda passa por uma fronteira entre dois meios e entra em um meio no qual viaja mais lentamente. Este efeito é especialmente claro no caso de ondas planas (ver Fig. arroz. 7-9). A parte da onda plana que acabou em um novo meio “lento” se move a uma velocidade menor. Mas como essa parte da onda inevitavelmente permanece associada à onda no meio “rápido”, sua frente(linha tracejada na parte inferior da Fig.7-9) deve quebrar, ou seja, aproximar-se da interface entre dois meios, conforme mostrado na Fig. 7-9.
Se a mudança na velocidade de propagação da onda não ocorrer abruptamente, mas gradualmente, a rotação da frente de onda também ocorrerá suavemente. Isso, aliás, explica a razão pela qual as ondas de surf, por mais que se movam em mar aberto, são quase sempre paralelas à linha de costa. O fato é que, com a diminuição da espessura da camada de água, a velocidade das ondas em sua superfície diminui, portanto, perto da costa, onde as ondas entram na área de águas rasas, elas estão desacelerando. O giro gradual de sua frente torna as ondas quase paralelas à linha de costa.
ONDAS NA SUPERFÍCIE DE UM LÍQUIDO. Sob a influência de várias razões, as partículas da camada superficial do líquido podem entrar em movimento oscilatório. Tal movimento cobre partes cada vez mais distantes da superfície - uma onda começa a se propagar sobre a superfície. Tal como acontece com a ocorrência de outros tipos de ondas, as oscilações podem ocorrer de acordo com a lei do seno, mas apenas sob a condição indispensável de que a amplitude das oscilações das partículas seja pequena em relação ao comprimento de onda. O comprimento de onda é a distância entre dois pontos onde as oscilações estão na mesma fase. A distância vertical da crista até o fundo é chamada de altura da onda. Um exemplo dessas ondas senoidais são as ondas de maré: seu comprimento atinge centenas km, enquanto a altura é geralmente 1/300 ou mesmo 1/500 de sua parte. Na maioria dos casos, entretanto, a altura da onda não pode ser desprezada em comparação com seu comprimento.
Comparada com oscilações transversais simples, a natureza do movimento das partículas de fluido é sempre complicada: elas não apenas sobem e descem em direções verticais, mas descrevem algumas órbitas fechadas, circulares ou elípticas. O primeiro tipo de órbita corresponde ao caso em que a profundidade é muito grande em comparação com o comprimento de onda, e o segundo - ao caso mais geral, quando o comprimento de onda é maior que a distância até o fundo ou, em geral, proporcional a ele . Pode-se mostrar que com tais movimentos rotacionais das partículas, o perfil da onda será trocoidal. Trocoide m. b. construído sobre pontos, se traçarmos o caminho que um ponto descreve, que fica a alguma distância do centro de um círculo rolando em linha reta; ao mesmo tempo, um ponto situado na própria circunferência de tal círculo obviamente descreverá uma ciclóide.
Na FIG. a aparência de um perfil trocoidal durante os movimentos rotacionais das partículas da superfície da água é mostrada. Mas o movimento das ondas não se limita apenas à camada superficial do líquido: a excitação também cobre as camadas situadas abaixo, apenas os raios das órbitas das partículas aqui diminuem continuamente com o aumento da profundidade. A lei dos raios decrescentes de tais círculos é expressa pela fórmula:
onde r é o raio da órbita de uma partícula situada a uma certa profundidade z, a é o raio da órbita de uma partícula situada na própria superfície (metade da altura da onda), e é a base do sistema natural de logaritmos, λ é o comprimento de onda. Na prática, podemos supor que as ondas param em profundidades maiores que o comprimento de onda. A velocidade de propagação da onda v é expressa, na forma mais geral, pela fórmula:
Aqui g é a aceleração da gravidade, δ é a densidade do líquido, α é sua tensão superficial; por brevidade, β denota a relação ======4 H é a profundidade da camada líquida (da superfície ao fundo); o resto das designações são as mesmas que acima. A fórmula assume uma forma mais simples em três casos especiais.
a) Ondas de maré. O comprimento de onda é muito grande em comparação com a profundidade H. Aqui 
ou seja, a velocidade de propagação depende apenas da profundidade. b) A profundidade da onda é muito grande comparada ao seu comprimento, mas as dimensões da onda ainda são tão significativas que as forças capilares podem ser desprezadas. Neste caso, verifica-se que 
isto é, a velocidade de propagação depende apenas do comprimento de onda. Esta fórmula expressa bem a velocidade das ondas do mar comuns. c) Extremamente curto, assim chamado. ondas capilares. Aqui o papel principal é desempenhado pelas forças interpartículas, a força da gravidade recua para o fundo. A velocidade de propagação é igual, como vemos, ao contrário do caso (b), aqui a velocidade é tanto maior quanto menor a onda.
O perfil da onda muda muito sob a influência de alguns fatores externos. Assim, durante o vento, a parte da frente da onda se torna muito mais íngreme do que a parte de trás; em altas velocidades, o vento pode até destruir as cristas das ondas, arrancando-as e formando as chamadas ondas. "ovelha". Quando uma onda passa de um lugar profundo para águas rasas, sua forma também muda; neste caso, a energia das partículas de uma espessa camada de água é transferida para uma camada de menor espessura. É por isso que a rebentação é tão perigosa perto das margens, perto das quais a amplitude das oscilações das partículas pode exceder significativamente a sua amplitude em mar aberto, onde a profundidade da camada de água era grande.
Tente de vez em quando contar quantas cores estão no arco-íris. Esta tarefa não pode ser concluída. Entre as listras de vermelho e laranja, azul e azul, bem como entre as listras vizinhas, não há limites nítidos: existem muitos tons de transição entre eles. Nem todos os tons de cores podem ser distinguidos a olho nu. Muitas vezes é difícil determinar se a cor é “mais próxima do azul” ou “mais próxima do azul”.
É possível, neste caso, que cada raio encontre uma característica mais precisa que sua cor? Os físicos encontraram essa característica - e muito precisa.
Isso aconteceu devido à descoberta das propriedades ondulatórias da luz.
O que são ondas e quais são suas propriedades?
Por uma questão de clareza, primeiro vamos nos familiarizar com as ondas na superfície da água.
Todo mundo sabe que as ondas da água são diferentes. Uma ondulação quase imperceptível varre a lagoa, balançando levemente a rolha do pescador; nos espaços abertos do mar, enormes ondas de água balançam os navios a vapor oceânicos. Como as ondas diferem umas das outras? Para responder a esta pergunta, considere como as ondas de água surgem.
Como excitador de ondas de água, tomaremos o dispositivo mostrado na Fig. 3. Quando o motor A gira o excêntrico B, a haste C move-se ritmicamente para cima e para baixo, mergulhando na água em diferentes profundidades. As ondas se espalham na forma de círculos com um centro (Fig. 4). Eles são uma série de sulcos e vales alternados.
A distância entre cristas ou vales adjacentes é chamada de comprimento de onda e geralmente é denotada pela letra grega X (lambda). Vamos aumentar o número de rotações do motor e, portanto, a frequência de oscilações da haste, pela metade. Então o número de ondas que aparecem ao mesmo tempo será duas vezes maior. Mas o comprimento de onda agora terá metade do comprimento. O número de ondas formadas em um segundo é chamado de frequência de onda. Geralmente é denotado pela letra grega V (nu).
Deixe a rolha flutuar na água. Sob a influência de uma onda viajante, ela oscilará. A crista que se aproxima da rolha a levantará e a depressão subsequente a descerá. Em um segundo, a cortiça vai subir tantas cristas (e baixar tantos vales) quantas ondas se formarem durante esse período. E este número é a frequência da onda V. Isto significa que a cortiça irá oscilar com a frequência V. Assim, detectando a acção das ondas, podemos definir a sua frequência em qualquer ponto da sua propagação.
Por uma questão de simplicidade, vamos supor que as ondas não decaem. A frequência e o comprimento das ondas não amortecidas estão relacionados entre si por uma lei simples. Ondas V são geradas por segundo. Todas essas ondas caberão em um determinado segmento. A primeira onda, formada no início da segunda, chegará ao final deste segmento; está separado da fonte por uma distância igual ao comprimento de onda vezes a frequência. Mas a distância percorrida pela onda por segundo é a velocidade da onda V. Então, = Se o comprimento de onda e a velocidade de propagação da onda são conhecidos, então
Você pode determinar a frequência V, a saber: V - y.
Frequência e comprimento de onda são suas características essenciais; de acordo com essas características, algumas ondas se distinguem de outras.
Além da frequência (ou comprimento de onda), as ondas também diferem na altura das cristas (ou na profundidade dos vales). A altura da onda é medida a partir do nível horizontal da superfície da água em repouso. Chama-se amplitude.
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Já mencionamos ondas, cuja formação se deve não à força da elasticidade, mas à força da gravidade. É por isso que não devemos nos surpreender que as ondas que se propagam ao longo da superfície de um líquido não sejam longitudinais. No entanto, eles também não são transversais: o movimento das partículas de fluido é mais complexo aqui.
Se em algum ponto a superfície do líquido desceu (por exemplo, como resultado de ser tocado por um objeto sólido), então sob a ação da gravidade o líquido começará a descer, preenchendo a fossa central e formando uma depressão anular em torno dele. Na borda externa desse recesso, as partículas líquidas continuam a descer e o diâmetro do anel cresce. Mas na borda interna do anel, as partículas líquidas novamente "emergem" para cima, de modo que uma crista anular é formada. Atrás dele, obtém-se novamente uma depressão, e assim sucessivamente: ao descer, as partículas do líquido movem-se, além disso, para trás, e quando sobem, também avançam. Assim, cada partícula não apenas oscila na direção transversal (vertical) ou longitudinal (horizontal), mas, como se vê, descreve um círculo.
Na fig. Na Fig. 76, os círculos escuros mostram a posição das partículas da superfície do líquido em algum momento, e os círculos claros mostram a posição dessas partículas pouco tempo depois, quando cada uma delas passou parte de sua trajetória circular. Essas trajetórias são mostradas por linhas tracejadas, as seções passadas das trajetórias são mostradas por setas. A linha que liga as olheiras nos dará o perfil da onda. No caso de grande amplitude mostrada na figura (ou seja, o raio das trajetórias circulares das partículas não é pequeno em comparação com o comprimento de onda), o perfil da onda não se assemelha a uma senóide: tem vales largos e cristas estreitas. A linha que liga os círculos de luz tem a mesma forma, mas está deslocada para a direita (em direção ao atraso de fase), ou seja, como resultado do movimento das partículas de fluido ao longo de trajetórias circulares, a onda se moveu.
Arroz. 76. Movimento de partículas fluidas em uma onda em sua superfície
Deve-se notar que na formação das ondas de superfície, não apenas a força da gravidade desempenha um papel, mas também a força da tensão superficial (ver Volume I, § 250), que, como a força da gravidade, tende a nivelar o superfície do líquido. Quando uma onda passa em cada ponto da superfície do líquido, essa superfície é deformada - a convexidade torna-se plana e depois muda para concavidade e vice-versa, em conexão com a qual a área da superfície e, consequentemente, a energia da tensão superficial mudam. É fácil entender que o papel da tensão superficial será maior para uma dada amplitude de onda, quanto mais a superfície for curva, ou seja, quanto menor o comprimento de onda. Portanto, para ondas longas (baixas frequências), a gravidade é a força principal, mas para ondas suficientemente curtas (altas frequências), a força de tensão superficial vem à tona. A fronteira entre ondas "longas" e "curtas", é claro, não é nítida e depende da densidade da tensão superficial. Perto da água, esse limite corresponde a ondas cujo comprimento é de cerca de , ou seja, para ondas mais capilares, predominam as forças de tensão superficial e, para as mais longas, a gravidade.
Apesar da natureza complexa "longitudinal-transversal" das ondas de superfície, elas obedecem às regularidades comuns a qualquer processo ondulatório e são muito convenientes para observar muitas dessas regularidades. Portanto, vamos nos deter com um pouco mais de detalhes sobre o método de obtê-los e observá-los.
Para experimentos com essas ondas, você pode tomar um banho raso, cujo fundo é de vidro, cuja área é de cerca de . Uma lâmpada brilhante pode ser colocada sob o vidro à distância, permitindo que você projete esse "lago" no teto ou na tela (Fig. 77). Na sombra de forma ampliada, você pode observar todos os fenômenos que ocorrem na superfície da água. Para enfraquecer a reflexão das ondas dos lados do banho, a superfície deste último é ondulada e os próprios lados são inclinados.
Arroz. 77. Banho para observação de ondas na superfície da água
Encha a banheira com água aproximadamente até uma profundidade e toque a superfície da água com a ponta do fio ou a ponta de um lápis. Veremos como uma ruga anular se espalha a partir do ponto de contato. A velocidade de sua propagação é baixa (10-30 cm / s), para que você possa acompanhar facilmente seu movimento.
Fixamos o fio em uma placa elástica e o fazemos oscilar, de modo que a cada oscilação da placa a ponta do fio bate na superfície da água. Um sistema de cumes anelares e depressões correrá pela água (Fig. 78). A distância entre cristas ou vales adjacentes, ou seja, o comprimento de onda, está relacionada ao período de impacto pela fórmula que já conhecemos; - velocidade de propagação da onda.
Arroz. 78. Ondas de anel
Arroz. 79. Ondas Rectilíneas
As linhas perpendiculares às cristas e vales mostram as direções de propagação das ondas. Para uma onda anular, as direções de propagação são obviamente representadas por linhas retas que irradiam do centro da onda, como mostrado na Fig. 78 flechas tracejadas. Ao substituir a ponta do fio por uma régua paralela à superfície da água, pode-se criar uma onda que não tem a forma de anéis concêntricos, mas de sulcos retos e vales paralelos entre si (Fig. 79). Neste caso, na frente da parte central da régua, temos uma única direção de propagação.
Ondas anelares e retilíneas na superfície dão uma ideia de ondas esféricas e planas no espaço. Uma pequena fonte de som, irradiando uniformemente em todas as direções, cria uma onda esférica ao seu redor, na qual a compressão e a rarefação do ar estão localizadas na forma de camadas esféricas concêntricas. Uma seção de uma onda esférica, pequena em comparação com a distância de sua fonte, pode ser considerada aproximadamente plana. Isso se aplica, é claro, a ondas de qualquer natureza física - tanto mecânicas quanto eletromagnéticas. Assim, por exemplo, qualquer seção (dentro da superfície da Terra) de luz proveniente de estrelas pode ser considerada como uma onda plana.
Usaremos repetidamente os experimentos com o banho de água descritos acima, pois as ondas na superfície da água tornam as principais características de muitos fenômenos ondulatórios muito claras e convenientes para observação, incluindo fenômenos importantes como difração e interferência. Usamos ondas em um banho de água para derivar uma série de conceitos gerais que são válidos tanto para ondas elásticas (particularmente acústicas) quanto eletromagnéticas. Onde for possível observar características mais sutis dos processos ondulatórios (em particular, na óptica), nos deteremos mais detalhadamente na interpretação dessas características.
