¿Cómo se convierten las ondas de sonido transversales (en sólidos) en ondas longitudinales (en gases)?

Answer 1

Intentaré dar una explicación lógica. Debe saber que los sólidos apenas son compresibles , tienen un módulo de volumen muy alto. Pero los gases, por otro lado, son muy fáciles de comprimir .

Los sólidos ofrecen resistencia al esfuerzo cortante , y eso es lo principal que necesitamos para la propagación de una onda transversal. Es por eso que el sonido viaja como una onda transversal en un sólido.

Pero ¿qué pasa con los gases? Los gases no ofrecen una resistencia apreciable a la tensión de cizallamiento , pero tienen un módulo de volumen apreciable, por lo que las ondas sonoras se propagan como ondas longitudinales en los gases.

Si estás pensando: ¿por qué demonios necesitamos tener alguna ‘resistencia’? Todas las ondas mecánicas son una especie de movimiento armónico simple de partículas del medio, y para que tenga lugar un SHM es necesario tener una fuerza de restauración de algún tipo. Ahí es donde la ‘resistencia’ entra en juego.

El contenedor es suficientemente largo, y descuidaríamos cualquier reflexión. La cuerda y el pistón tienen algunas masas finitas.

Aquí he considerado un escenario de ondas de cuerda (transversales) que se convierten en ondas de presión (longitudinales). Es una buena aproximación de la situación original de propagación de ondas de sonido a través de la interfaz de dos medios diferentes.

Answer 2

Agregando a la respuesta anterior que hablaba de la incompresibilidad en sólidos, una manera de pensar acerca de la formación de ondas de corte que surgen de las ondas longitudinales es entender el papel que juega la estructura de las partículas sólidas en la física de propagación.

Considere una onda longitudinal que viaja a través de un líquido. Se compone de una serie de compresiones y rarefacciones (lo que significa que las partículas del fluido se mueven en la dirección de propagación). Ahora, la falta de densidad de partículas y la resistencia de la unión no permite el corte en el medio como se mencionó anteriormente, por lo que las ondas transversales NO viajan en los fluidos. Sin embargo, al final del día, las ondas longitudinales aún representan una transferencia de energía (modelada adiabáticamente).

Cuando esta energía incide en un ángulo en la interfaz entre el fluido y un sólido, la energía se distribuye entre las ondas de corte y longitudinales, es decir, se forman dos ondas: una que comprime y enrarece las partículas del sólido, y otra que tiene la Las partículas oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Ambas ondas tienen diferentes velocidades de propagación, y la onda de corte normalmente se desplaza aproximadamente 1 / 3–1 / 2 a la velocidad de la onda longitudinal. La onda de corte formada es permisible ya que las partículas del sólido están tan cerca unas de otras, y los enlaces intermoleculares entre ellas permiten la transferencia de energía entre las partículas a través de estos enlaces (visualizados como transferencia de energía en una cadena).

Ahora, mencioné en el párrafo anterior que la formación de ondas de corte ocurre cuando una onda longitudinal incide en el sólido en un ángulo. Obviamente, si la longitud longitudinal (también denominada onda plana u onda p) es perpendicular a la superficie sólida, solo se generan ondas p en el sólido, ya que solo las compresiones y rarefacciones continúan a través de la estructura sólida.

La formación y la dirección de propagación de las cizallas transmitidas (ondas s) y las ondas p pueden regirse por la ley de Snell, que sugiere:

[math] C_1 sin (\ theta_i) = C_2p sin (\ theta_tp) = C_2s sin (\ theta_ts) [/ math]

C_1, C_2p y C_2s son las velocidades del sonido en el fluido, la velocidad de la onda p y la velocidad de la onda s.

Theta_i, theta_tp y theta_ts son el ángulo de incidencia, el ángulo de transmisión de onda p y el ángulo de transmisión de onda s.

Espero que esto ayude.