גלי אורך: מאפיינים, הבדלים, דוגמאות - גוּפָנִי - 2025

גלים אורכיים מתבטאים אמצעים חומריים לפיה החלקיקים במקביל להתנדנד לכיוון הגל נוסע. כפי שניתן לראות בתמונות הבאות. זהו המאפיין הייחודי שלו.

גלים קוליים, גלים מסוימים המופיעים במהלך רעידת אדמה וכאלה המופקים בסלע או מעיין כשנותנים לו דחף קטן באותו כיוון של צירו, הם דוגמאות טובות למעמד זה של גלים.

איור 1. צליל הוא גל אורכי המייצר דחיסות והתרחבות רצופות באוויר. מקור: Wikimedia Commons. פלוק

צליל מופק כאשר אובייקט (כמו מזלג הכוונון של הדמות, כלי נגינה או פשוט מיתרי הקול) רוטט במדיום המסוגל להעביר את ההפרעה דרך הרטט של מולקולותיו. אוויר הוא אמצעי מתאים, אך גם נוזלים ומוצקים הם.

ההפרעה משנה שוב ושוב את הלחץ והצפיפות של המדיום. בדרך זו, הגל מייצר דחיסות והרחבות (נדירות פעולות) במולקולות של המדיום, כאשר האנרגיה נעה במהירות מסוימת v .

שינויים אלה בלחץ נתפסים על ידי האוזן דרך תנודות בעור התוף, שרשת העצבים אחראית להפיכתה לזרמים חשמליים זעירים. כשהוא מגיע למוח הוא מפרש אותם כצלילים.

בגל אורך הדפוס החוזר ברציפות נקרא מחזור, ומשך הזמן הוא תקופת הגל. יש גם את המשרעת, שהיא העוצמה המקסימאלית ואשר נמדדת לפי העוצמה שנלקחת כהפניה, במקרה של צליל זו יכולה להיות וריאציה של הלחץ במדיום.

פרמטר חשוב נוסף הוא אורך הגל: המרחק בין שני דחיסות או הרחבות עוקבות, ראה איור 1. במערכת הבינלאומית אורך הגל נמדד במטר. סוף סוף יש את המהירות שלה (במטרים / שנייה עבור המערכת הבינלאומית), המציין כמה מהר האנרגיה מתפשטת.

כיצד מופיעים גלי אורך בגלי הים?

בגוף מימי נוצרים גלים על ידי גורמים רבים (שינויי לחץ, רוחות, אינטראקציות כבידה עם כוכבים אחרים). באופן זה ניתן לסווג גלים ימיים ל:

- גלי רוח

- גאות ושפל

- צונאמיס

התיאור של הגלים הללו די מורכב. בקווים כלליים, במים עמוקים הגלים נעים לאורכם, ומייצרים דחיסות והרחבות תקופתיות של המדיום, כמתואר בהתחלה.

עם זאת, על פני הים הדברים מעט שונים, מכיוון שגלי השטח שנקראים שולטים שם, המשלבים מאפיינים של גלי אורך וגלי רוחבי. לכן הגלים שזזים במעמקי הסביבה הימית שונים מאוד מאלה שזזים על פני השטח.

בול עץ שצף על פני הים יש סוג של תנועה הדדית או מסתובבת בעדינות. אכן, כאשר הגלים נשברים על החוף, המרכיבים האורכיים של הגל הם השולטים, וככל שהיומן מגיב לתנועת מולקולות המים המקיפות אותו, הוא נצפה גם הוא מגיע והולך על פני השטח.

איור 2. גלי ים על פני השטח הם גלים שיש להם מאפייני גל אורכי וחלקם רוחביים. מקור: מקור: Vargklo ב- en.wikipedia

קשר בין עומק ואורך גל

הגורמים שקובעים את סוג הגל המיוצר הם: עומק המים ואורך הגל של גל הים. אם עומק המים בנקודה מסוימת נקרא d, ואורך הגל הוא λ, הגלים עוברים מאורך לשטחי כאשר:

על פני השטח, מולקולות המים רוכשות תנועות סיבוביות שהן מאבדות ככל שהעומק גדל. החיכוך של מסת המים עם הקרקעית גורם למסלולי מסלול אלה להפוך לאליפטי, כפי שמוצג באיור 2.

בחופים, המים הסמוכים לחוף הם חסרי מנוחה יותר מכיוון ששם נשברים הגלים, חלקיקי המים מאטים בתחתית וזה גורם להצטברות של מים נוספים על הרכסים. במים עמוקים יותר, לעומת זאת, הוא נתפס כיצד הגלים מתרככים.

כאשר d >> λ / 2 יש לנו גלי מים עמוקים או גלים קצרים, מסלול מעגלי או אליפטי פוחת בגודל וגלים אורכיים שולטים. ואם d << λ / 2 הגלים הם מימי שטח או גלים ארוכים.

הבדלים עם גלי גזירה

שני האורך וגם הגלגלים הרוחביים נופלים בקטגוריית הגלים המכניים, הדורשים אמצעי חומרי להפצתם.

ההבחנה העיקרית שנערכה בין השתיים הוזכרה בתחילת הדרך: בגלים רוחביים חלקיקי המדיום נעים בניצב לכיוון התפשטות הגל, ואילו בגלים אורכיים הם מתנדנדים באותו הכיוון ואחריו ההפרעה. אך ישנם מאפיינים בולטים יותר:

הבדלים נוספים בין גלים רוחביים ואורכיים

- בגל רוחבי נבדלים ערמות ועמקים, אשר באורכים שווים לדחיסות והרחבות.

- הבדל נוסף הוא שגלים אורכיים אינם מקוטבים מכיוון שכיוון המהירות של הגל זהה לזה של תנועת החלקיקים המתנדנדים.

- הגל הרוחבי יכול להתפשט בכל מדיום ואפילו בוואקום, כמו גלים אלקטרומגנטיים. לעומת זאת, בתוך נוזלים, חסרי קשיחות, אין לחלקיקים ברירה אלא לגלוש אחד על פני השני ולנוע כמו שההפרעה עושה, כלומר לאורכו.

כתוצאה מכך הגלים שמקורם באמצע מסות אוקיאניות האטמוספירה הם אורכיים, מכיוון שגלים רוחביים דורשים אמצעי תקשורת בקשיחות מספקת בכדי לאפשר תנועות אנכיות אופייניות.

- גלים אורכיים גורמים לשונות לחץ וצפיפות במדיום דרכם הם מתפשטים. מצד שני, גלים רוחביים אינם משפיעים על המדיום בדרך זו.

קווי דמיון בין גלים אורכיים ורוחבים

יש להם אותם חלקים משותפים: נקודה, משרעת, תדר, מחזורים, פאזה ומהירות. כל הגלים עוברים השתקפות, שבירה, דיפרקציה, הפרעה ואפקט דופלר ומעבירים אנרגיה דרך המדיום.

אף על פי שהפסגות והעמקים מבדילים גל רוחבי, הלחיצות בגל האורך מקבילות לפסגות וההרחבות לעמקים, באופן ששני הגלים מודים באותו תיאור מתמטי של הגל הסינוס או הסינוסואידי.

דוגמאות לגלים אורכיים

גלי קול הם הגלים האורכיים האופייניים ביותר והם מהנחקרים ביותר, מכיוון שהם הבסיס לתקשורת ולביטוי מוזיקלי, הסיבות לחשיבותם בחיי האנשים. בנוסף, לגלי הקול יש יישומים חשובים ברפואה, הן באבחון והן בטיפול.

טכניקת האולטראסאונד ידועה בהשגת תמונות רפואיות, כמו גם לטיפול באבנים בכליות, בין יישומים אחרים. אולטרסאונד נוצר על ידי גביש פיזואלקטרי המסוגל ליצור גל לחץ אורכי כשמפעילים שדה חשמלי (הוא גם מייצר זרם בעת הפעלת לחץ).

כדי לראות באמת איך נראה גל אורכי, אין דבר טוב יותר מקפיצי סליל או סלינקי. על ידי מתן דחף קטן למעיין, יש לראות מיד כיצד מתפשטים לחיצות והרחבות לסירוגין לאורך כל הסיבובים.

- גלים סיסמיים

גלי אורך הם גם חלק מתנועות סייסמיות. רעידות אדמה מורכבות מסוגים שונים של גלים, ביניהם גלים P או ראשוניים וגלים או גלים משניים. הראשונים הם אורכיים ואילו בחלק האחרון האחרונים החלקיקים הבינוניים רוטטים בכיוון הרוחב לעקירת הגל.

ברעידות אדמה נוצרים על פני השטח גם גלים אורכיים (גלי P ראשוניים) וגם גלים רוחביים (גלי S משניים) וסוגים אחרים, כמו גלי ריילי וגלי אהבה.

למעשה, גלי אורכיות הם היחידים הידועים כשעוברים במרכז כדור הארץ. מכיוון שהם נעים רק בתקשורת נוזלית או גזית, מדענים חושבים שגרעין כדור הארץ מורכב בעיקר מברזל מותך.

- תרגיל אפליקציה

גלי ה- P וגלי ה- S שנוצרו במהלך רעידת אדמה במהירויות שונות על פני כדור הארץ, ולכן זמני הגעתם לתחנות סייסמוגרפיות שונות (ראו תמונה 3). בזכות זה ניתן לקבוע את המרחק למוקד רעידת האדמה, באמצעות משולש, באמצעות נתונים משלוש תחנות או יותר.

איור 3. הגלים הסייסמיים P ו- S מגיעים לסיסמוגרפים עם זמנים שונים, מכיוון שמהירותם שונה. מקור: Wikimedia Commons.

נניח ש V _P = 8 קמ"ש הוא מהירות גלי P, ואילו מהירות גלי S היא v _S = 5 קמ"ש. גלי ה- P מגיעים 2 דקות לפני גלי ה- S. הראשונים.כיצד לחשב את המרחק מהמוקד?

תשובה

תן ל D להיות המרחק בין מוקד הרגע לתחנה הסייסולוגית. עם הנתונים המסופקים ניתן למצוא את זמן הנסיעה t _P ו- t _S של כל גל:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

ההבדל הוא Δt = t _S - t _P :

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

פיתרון לערך D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (Δt. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

בידיעה ש -2 דקות = 120 שניות והחלפת שאר הערכים:

D = 120 שניות. (8 קמ"ש. 5 קמ"ש) / (8 - 5 קמ"ש) = 1600 קמ"ש.

הפניות

1. ההבדל בין גלים רוחביים ואורכיים. התאושש מ: physicsabout.com.
2. Figueroa, D. 2005. גלים ופיזיקה קוונטית. סדרת פיזיקה למדע והנדסה. כרך 7. בעריכת דגלאס פיגוארואה. אוניברסיטת סיימון בוליבר. 1-58.
3. אינפרא-סאונד ואולטרה-סאונד. התאושש מ: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון. 263-286.
5. תנועת הגל האורך והרוחבי של ראסל. נשלף מ: acs.psu.edu.
6. גלי מים. נלקח מתוך: labman.phys.utk.edu.