Onde di superficie, tipi ed esempi

IL onde superficiali Sono quelli in cui le particelle vibranti hanno un movimento a due dimensioni, come le onde che si verificano quando una pietra cade in uno stagno o in un lago.

Questo tipo di onda è prodotto nell'interfaccia tra due mezzi diversi, come l'oceano e l'aria, o tra la superficie della terra e dell'aria. Queste sono onde in cui le particelle sperimentano spostamenti trasversali combinati con longitudinale, cioè bidimensionale.

Figura 1. Onde superficiali in uno stagno. Fonte: Pixabay.

Ad esempio, le particelle d'acqua sulla superficie oceanica - onde - si muovono descrivendo le traiettorie circolari. Quando si rompe le onde sulla riva, predominano gli spostamenti longitudinali ed è per questo che alghe o un pezzo di legno che galleggia delicatamente muovendo davanti a dietro.

Sulla superficie della terra, le onde si muovono anche analoghe alle onde del mare. Viaggiano a una velocità inferiore rispetto alle onde che si muovono internamente attraverso il volume terrestre, ma sono in grado di provocare più facilmente la risonanza negli edifici.

Poiché le onde producono vibrazioni e l'energia del trasporto, hanno effetti distruttivi durante i terremoti.

figura 2. Onde di superficie nell'oceano. Le particelle d'acqua si muovono in un programma quando il movimento dell'onda è da sinistra a destra. Nel punto più alto si trovano sulla cresta dell'onda, mentre il punto più basso si chiama canale. Fonte della figura sinistra: f. Zapata. Fonte della figura giusta: Giambattista, a. 2010. Fisica. 2 °. Edizione. McGraw Hill.

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Tipi di onde superficiali

Qualsiasi tipo di onda, sia superficiale, è una soluzione dell'equazione dell'onda, che si applica a quasi qualsiasi tipo di movimento ondulato, non solo meccanico, come gli esempi descritti, ma anche di onde elettromagnetiche, che sono un diverso tipo di onde, poiché sono trasversali.

L'equazione delle onde, che si ottiene considerando la seconda legge di Newton è scritta in questo modo:

Dove ∇ simboleggia Operatore Laplacian, che può essere espresso come segue nelle coordinate rettangolari:

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Nell'equazione precedente, O È la funzione d'onda che dipende dalle tre coordinate dello spazio X, E E z Più tempo T: u = u (x, y, z, t). Oltretutto v È la velocità del disturbo. L'equazione delle onde può essere sollevata in altri sistemi di coordinate a seconda della geometria richiesta.

Per trovare la soluzione dell'equazione, ciò è conforme alle condizioni del problema, in cui ad esempio la geometria è delimitata e le proprietà dell'ambiente sono stabilite attraverso le quali il disturbo viene spostato.

Esistono molti tipi di onde superficiali, come:

-Onde gravitazionali (Onde di gravità) Come le onde oceaniche descritte all'inizio, in cui la gravità fornisce una forza restaurativa che consente il movimento trasversale.

-Le onde superficiali in uno stagno, ecco la tensione superficiale dell'acqua che esercita come una forza restaurativa.

-Le onde elastiche superficiali che si muovono sulla superficie della terra durante un terremoto.

-Le onde elettromagnetiche, che nonostante siano trasversali, possono essere correttamente guidate a muoversi su una superficie.

-Alcuni tipi di onde che si verificano sulle corde di una chitarra quando le corde sono pressate duramente.

Onde elastiche superficiali sulla superficie terrestre

Figura 3. Onda superficiale sulla superficie terrestre. Il movimento delle particelle è una combinazione di spostamenti trasversali e longitudinali. Fonte: Giambattista, a. 2010. Fisica. 2 °. Edizione. McGraw Hill.

Quando si risolvono l'equazione delle onde, le soluzioni, come abbiamo detto, corrispondono a diversi tipi di onde. Quando il disturbo si muove in un mezzo solido come la crosta terrestre, è possibile fare alcune ipotesi su questo che semplificano il processo.

Pertanto si considera che il mezzo lo sia perfettamente elastico, omogeneo E isotropico, Ciò significa che le sue proprietà sono le stesse indipendentemente dalla posizione o dall'indirizzo.

Con questo in mente, due delle soluzioni di equazione delle onde in un mezzo elastico corrispondono alle onde superficiali:

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-Rayleight Waves, nominato in onore di Lord Rayleight (1842-1919), il fisico britannico che li ha descritti prima.

-Love Waves, di Augustus Love, British Geophysical and Mathematic.

In sismico, queste onde sono chiamate onde l, per differenziarli dalle onde P e dalle onde S, entrambe considerate onde di volume (Onde del corpo) che sono anche una soluzione dell'equazione d'onda con le condizioni sopra descritte. Le onde P sono longitudinali e le onde S sono trasversali.

Esempi di onde superficiali

Rayleight Waves

In un'onda di rayleight, le particelle di fronte d'onda vibrano sul piano verticale, quindi si dice che siano polarizzate verticalmente. Le particelle si muovono descrivendo un'ellisse, a differenza delle onde sulla superficie dell'oceano, il cui movimento è circolare, come affermato all'inizio (sebbene vicino alla costa sono piuttosto ellittici).

L'asse principale dell'ellisse è verticale e l'asse minore segue la direzione di propagazione, come si può vedere nella figura. Lì è anche avvertito che il movimento è retrogrado, cioè è fatto contrariamente agli aghi dell'orologio.

Figura 4. Rayleight Wave. Fonte: Lowrie, W. 2007. Geofisica fondamentale. 2 °. Edizione. Cambridge University Press.

Un'altra differenza importante con le onde d'acqua è che le onde di Rayleight possono diffondersi solo nei media solidi, poiché esiste una forza di taglio che non si verifica nei liquidi.

L'ampiezza dello spostamento delle particelle diminuisce esponenzialmente con la profondità, poiché l'onda è limitata alla superficie, sebbene sia un terremoto di grande intensità, le onde possono girare la terra più volte prima di sbiadire completamente.

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Amore onde

In onde innamorate Le particelle sono polarizzate orizzontalmente e hanno una grande ampiezza di movimento parallela alla superficie. Si muovono a una velocità leggermente inferiore rispetto alle onde di Rayleight, sebbene la velocità in questo tipo di onda dipenda dalla lunghezza d'onda (onda dispersiva).

Per queste onde si diffondono nel mezzo. Come le onde di Rayleight, le onde d'amore prodotte durante un terremoto possono restituire la terra più volte prima di disperdere la loro energia.

Figura 5. Amore onde. Fonte: Wikimedia Commons. Nicoguaro [CC di 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by/4.0)]

Rotolo di terra

È comune trovare questa variante delle onde di Rayleight, chiamata Rotolo di terra, In Records di esplorazione sismica. È considerato rumore e devi evitarlo, perché per la sua grande ampiezza, a volte i riflessi da vedere masca.

Onde oceaniche

A grande profondità, le onde oceaniche sono onde longitudinali, come il suono. Ciò significa che il suo indirizzo di propagazione è uguale alla direzione in cui vibrano le particelle.

Tuttavia, l'onda, vicino alla superficie, ha componenti sia longitudinali che trasversali, causando le particelle per descrivere una traiettoria quasi circolare (vedi Figura 2 a destra).

Figura 6. Le onde del mare sono onde superficiali. Fonte: Pixabay.

Riferimenti

1. Figueroa, d. 2005. Onde e fisica quantistica. Serie fisiche per la scienza e l'ingegneria. A cura di d. Figueroa.
2. Giambattista, a. 2010. Fisica. McGraw Hill.
3. Lowrie, w. 2007. Geofisica fondamentale. 2 °. Edizione. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Amore onde. Recuperato da: è.Wikipedia.org.
5. Wikipedia. Rayleight Waves. Recuperato da: è.Wikipedia.org.
6. Wikipedia. Onde di superficie. Recuperato da: in.Wikipedia.org.