Η έννοια του μηχανικού κύματος

Εκτελούμε τα παρακάτω δυο πειράματα:

1] Ρίχνουμε ένα μπαλάκι σε ένα αρχικά ακίνητο αμαξάκι. Παρατηρούμε ότι το αμαξάκι θα κινηθεί.

2] Δένουμε το αμαξάκι με ένα σχοινί, το οποίο το τεντώνουμε με το χέρι μας στο άλλο άκρο. Κουνάμε το χέρι μας αριστερά και δεξιά και παρατηρούμε ότι το αμαξάκι κινείται.

Μεταφορά ενέργειας (α) με μετατόπιση (β) με κύμα

Μπορούμε να πούμε τα εξής: Στο πείραμα 1 έχουμε μεταφορά ενέργειας με την κίνηση του μαλακίου και την μεταδίδει στο αμαξάκι με την κρούση. Στο πείραμα 2 στο αμαξάκι η ενέργεια μεταδίδεται μέσω της διαταραχής πάνω στο σχοινί και μάλιστα χωρίς μεταφορά  ύλης, σε αντίθεση με την κίνηση του μαλακίου που με την μετατόπιση της ύλης έχουμε μεταφορά ενέργειας.

Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό: Ονομάζουμε κύμα την διάδοση μιας διαταραχής σε ένα μέσο με το οποίο μεταφέρεται ενέργεια χωρίς μεταφορά ύλης.

Έτσι στην πρώτη περίπτωση (πείραμα 1) η μετάδοση της ενέργειας δεν είναι κύμα διότι έχουμε μακροσκοπική μετατόπιση του μέσου, ενώ στη δεύτερη περίπτωση (πείραμα 2) έχουμε διάδοση της διαταραχής πάνω σε ένα μέσο με μεταφορά ενέργειας χωρίς τη μεταφορά ύλης.

Τα κύματα τα οποία διαδίδονται πάνω σε ένα σχοινί, στο νερό, στον αέρα, στο ελατήριο, σε στερεά σώματα μεταφέρουν μηχανική ενέργεια και γι’ αυτό ονομάζονται μηχανικά κύματα.

Τα μηχανικά κύματα παράγονται και διαδίδονται όταν υπάρχει κάποιο μέσο πάνω στο οποίο μεταφέρεται μηχανική ενέργεια.

Δυο βασικά χαρακτηριστικά των μηχανικών κυμάτων είναι ότι διαδίδονται σε υλικά μέσα και ότι μεταφέρουν μηχανική ενέργεια.

Είδη κυμάτων

Σε ένα κύμα οι δομικοί λίθοι του μέσου ταλαντεύονται γύρω από μια θέση ισορροπίας που περικλείουν ενέργεια λόγω ταλάντωσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μεταφέρεται η ταλάντωση στους γειτονικούς δομικούς λίθους κι έτσι σε ένα μηχανικό κύμα έχουμε μεταφορά ενέργειας στο μέσο χωρίς την μεταφορά ύλης.

Στα μηχανικά κύματα υπάρχουν βασικά δυο τρόποι μεταφοράς ενέργειας στο μέσο: στα εγκάρσια και διαμήκη κύματα.

Εγκάρσιο κύμα σε σχοινί

Α] Στα εγκάρσια κύματα οι δομικοί λίθοι του υλικού μέσου ταλαντεύονται κάθετα στην διεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Διάμηκες κύμα σε ελατήριο και σε στήλη αέρα

Β] Στα διαμήκη κύματα οι δομικοί λίθοι του υλικού μέσου ταλαντεύονται στην ίδια διεύθυνση με εκείνη που διαδίδεται το κύμα. Στα διαμήκη κύματα έχουμε πυκνώματα και αραιώματα του μέσου δηλαδή στην διαταραχή της πυκνότητας των δομικών λίθων του μέσου.

Γ] Τα επιφανειακά κύματα είναι εκείνα που δημιουργούνται στην επιφάνεια ενός υγρού. Στα επιφανειακά κύματα οι δομικοί λίθοι του μέσου κινούνται τόσο παράλληλα όσο και κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος και συγκεκριμένα σε κυκλικές τροχιές. Συνεπώς τα επιφανειακά κύματα είναι ένας συνδυασμός εγκάρσιας και διαμήκη κύματος.