Ondes de surface, types et exemples

Le vagues superficielles Ce sont ceux dans lesquels les particules vibrantes ont un mouvement à deux dimensions, comme les vagues qui se produisent lorsqu'une pierre tombe dans un étang ou un lac.

Ce type de vague est produit dans l'interface entre deux moyens différents, comme l'océan et l'air, ou entre la surface de la terre et de l'air. Ce sont des ondes dans lesquelles les particules éprouvent des déplacements transversaux combinés à des longitudinaux, c'est-à-dire à deux dimensions.

Figure 1. Vagues superficielles dans un étang. Source: Pixabay.

Par exemple, les particules d'eau sur la surface océanique - les vagues - se déplacer décrivant les trajectoires circulaires. Lors de la rupture des vagues sur le rivage, les déplacements longitudinaux prédominent et c'est pourquoi.

À la surface de la terre, les vagues se déplacent également analogues aux vagues de la mer. Ils voyagent à une vitesse inférieure que les vagues qui se déplacent en interne à travers le volume terrestre, mais sont capables de provoquer une résonance dans les bâtiments plus facilement.

Étant donné que les vagues produisent des vibrations et de l'énergie de transport, ont des effets destructeurs pendant les tremblements de terre.

Figure 2. Ondes de surface dans l'océan. Les particules d'eau se déplacent dans un horaire lorsque le mouvement de l'onde est de gauche à droite. Au point le plus élevé, ils sont sur la crête des vagues, tandis que le point le plus bas est appelé canal. Source de la figure de gauche: F. Zapata. Source de la bonne figure: Giambattista, un. 2010. La physique. 2e. Édition. McGraw Hill.

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Types d'ondes superficielles

Tout type d'onde, qu'il soit ou non, est une solution de l'équation d'onde, qui s'applique à presque tous les types de mouvements indéfecteurs, non seulement mécaniques, tels que les exemples décrits, mais aussi des ondes électromagnétiques, qui sont un type différent de vagues, car elles sont transversales.

L'équation des vagues, qui est obtenue compte tenu de la deuxième loi de Newton est écrite comme celle-ci:

Où ∇ symbolise Laplacien, qui peut être exprimé comme suit dans les coordonnées rectangulaires:

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Dans l'équation précédente, ou C'est la fonction d'onde qui dépend des trois coordonnées spatiales X, et et z Plus de temps t: u = u (x, y, z, t). En outre V C'est la vitesse de perturbation. L'équation des vagues peut être augmentée dans d'autres systèmes de coordonnées en fonction de la géométrie requise.

Pour trouver la solution de l'équation, celle-ci est conforme aux conditions du problème, dans laquelle par exemple la géométrie est délimitée et les propriétés de l'environnement sont établies à travers lesquelles la perturbation est déplacée.

Il existe de nombreux types d'ondes superficielles, comme:

-Ondes gravitationnelles (Vagues de gravité) Comme les vagues océaniques décrites au début, dans lesquelles la gravité fournit une force réparatrice qui permet le mouvement transversal.

-Les ondes superficielles dans un étang, voici la tension en surface de l'eau qui exerce comme force réparatrice.

-Les ondes élastiques superficielles qui se déplacent à la surface de la terre pendant un tremblement de terre.

-Les ondes électromagnétiques qui, malgré leur transversal, peuvent être correctement guidées pour se déplacer sur une surface.

-Certains types d'ondes qui se produisent sur les cordes d'une guitare lorsque les cordes sont pressées.

Ondes élastiques superficielles à la surface de la terre

figure 3. Vague superficielle à la surface de la terre. Le mouvement des particules est une combinaison de déplacements transversaux et longitudinaux. Source: Giambattista, un. 2010. La physique. 2e. Édition. McGraw Hill.

Lors de la résolution de l'équation des vagues, les solutions, comme nous l'avons dit, correspondent à différents types d'ondes. Lorsque la perturbation se déplace dans un milieu solide comme la croûte terrestre, il est possible de faire des hypothèses à ce sujet qui simplifient le processus.

Par conséquent, il est considéré que le médium est parfaitement élastique, homogène et isotrope, ce qui signifie que ses propriétés sont les mêmes quelle que soit la position ou l'adresse.

Dans cet esprit, deux des solutions d'équation des vagues dans un milieu élastique correspondent à des ondes superficielles:

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-Rayleight Waves, nommé en l'honneur de Lord Rayleight (1842-1919), le physicien britannique qui les a décrits en premier.

-Les vagues d'amour, par Augustus Love, British Geophysical and Mathematic.

En sismique, ces vagues sont appelées vagues l, Pour les différencier des ondes P et des ondes S, les deux considéraient les ondes de volume (Vagues du corps) qu'ils sont également une solution de l'équation d'onde avec les conditions décrites ci-dessus. Les ondes P sont longitudinales et les ondes S sont transversales.

Exemples d'ondes superficielles

Vagues de Rayleight

Dans une onde Rayleight, les particules de front d'onde vibrent dans le plan vertical, il est donc dit qu'ils sont polarisés verticalement. Les particules se déplacent décrivant une ellipse, contrairement aux vagues à la surface de l'océan, dont le mouvement est circulaire, comme indiqué au début (bien que près de la côte, ils sont plutôt elliptiques).

Le principal axe de l'ellipse est vertical et l'axe mineur suit la direction de propagation, comme on peut le voir sur la figure. Là, il est également averti que le mouvement est rétrograde, c'est-à-dire qu'il est fait contrairement aux aiguilles d'horloge.

Figure 4. Rayleight Wave. Source: Lowrie, W. 2007. Géophysique fondamentale. 2e. Édition. la presse de l'Universite de Cambridge.

Une autre différence importante avec les vagues d'eau est que les ondes de Rayleight ne peuvent se propager que dans des milieux solides, car il existe une force de cisaillement qui ne se produit pas dans les liquides.

L'amplitude du déplacement des particules diminue de façon exponentielle avec la profondeur, puisque l'onde est confinée à la surface, bien qu'il s'agisse d'un tremblement de terre d'une grande intensité, les vagues peuvent tourner autour de la terre plusieurs fois avant de décolorer complètement complètement.

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Les vagues d'amour

Dans les ondes d'amour, les particules sont polarisées horizontalement et ont une grande amplitude de mouvement parallèle à la surface. Ils se déplacent à une vitesse légèrement inférieure que les ondes de Rayleight, bien que la vitesse dans ce type de vague dépend de la longueur d'onde (vague dispersive).

Pour que ces vagues se propagent au milieu. Comme Rayleight Waves, les vagues d'amour produites pendant un tremblement de terre peuvent retourner la terre plusieurs fois avant de disperser leur énergie.

Figure 5. Les vagues d'amour. Source: Wikimedia Commons. Nicoguaro [CC par 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / par / 4.0)]

Roulage au sol

Il est courant de trouver cette variante des vagues de Rayleight, appelées Roulage au sol, Dans les dossiers d'exploration sismique. Il est considéré comme du bruit et vous devez l'éviter, car en raison de sa grande ampleur, parfois les réflexions à voir Masca.

Vagues océaniques

À grande profondeur, les vagues de l'océan sont des vagues longitudinales, comme le son. Cela signifie que son adresse de propagation est la même que la direction dans laquelle les particules vibrent.

Cependant, l'onde, près de la surface, a à la fois des composants longitudinaux et transversaux, ce qui fait décrire les particules une trajectoire presque circulaire (voir la figure 2 à droite).

Figure 6. Les vagues de la mer sont des vagues superficielles. Source: Pixabay.

Les références

1. Figueroa, D. 2005. Vagues et physique quantique. Série physique pour la science et l'ingénierie. Édité par D. FigUeroa.
2. Giambattista, un. 2010. La physique. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Géophysique fondamentale. 2e. Édition. la presse de l'Universite de Cambridge.
4. Wikipédia. Les vagues d'amour. Récupéré de: est.Wikipédia.org.
5. Wikipédia. Vagues de Rayleight. Récupéré de: est.Wikipédia.org.
6. Wikipédia. Ondes de surface. Récupéré de: dans.Wikipédia.org.