Sóng cơ học

Sóng cơ học là loại sóng lan truyền dao động cơ học của các phần tử môi trường vật chất. Trong khi sóng có thể di chuyển và truyền năng lượng trên quãng đường dài, thì các phần tử môi trường chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của nó.

Môi trường vật chất có tính đàn hồi và quán tính nên một tác động dịch chuyển sẽ gây rung động và tạo ra sóng. Cũng vì thế mà sóng cơ học khác với sóng điện từ là không lan truyền được qua môi trường không vật chất như chân không.

Năng lượng được truyền đi cùng hướng với sóng. Khi dao động nhỏ không gây biến dạng môi trường thì sóng cơ học còn được gọi là sóng đàn hồi (elastic wave), như sóng âm thanh. Các dao động quá lớn thì gây phá hủy liên kết của môi trường, không còn đàn hồi nữa, như sóng động đất, sóng bạc đầu ở mặt nước.

Khái quát

Sóng cơ học được phân loại theo kiểu dao động của phần tử môi trường, và chia ra ba loại: sóng dọc, sóng ngang, và sóng mặt.

Địa vật lý thì xếp sóng dọc sóng ngang vào dạng sóng khối (Body waves) dựa theo khả năng lan truyền vào khối vật chất sâu trong lòng đất, phân biệt với sóng mặt (Surface waves) chỉ lan truyền ở vùng bề mặt.

Sóng dọc

Sóng dọc (Sóng Longitudinal) hay Sóng P, là loại sóng có dao động theo chiều dọc của môi trường lan truyền, tạo ra các vùng nén và giãn. Hiện tượng nén giãn này thay đổi áp suất trong môi trường nên nó còn được gọi là Sóng Áp Suất.

Sóng dọc lan truyền nhanh hơn các loại sóng khác. Sóng dọc có thể đi qua bất kỳ vật liệu nào, bao gồm cả chất lỏng và khí. Tốc độ lan truyền của sóng dọc V_p được xác định bởi công thức sau:

$v_p=\sqrt{\frac{K+\; <div\; class="min-w-[250px]\; max-w-[94vw]\; md:max-w-[770px]">\; <ins\; class="adsbygoogle"\; style="display:block;\; text-align:center;"\; data-ad-layout="in-article"\; data-ad-format="fluid"\; data-ad-client="ca-pub-9247024304160346"\; data-ad-slot="4115752014"></ins>\; </div>\frac{4}{3}G}{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}}$

trong đó

K là modul đàn hồi hay modul nén (Bulk Modulus),

G là modul trục hay modul trượt (Shear modulus), và

ρ {\displaystyle \rho } là mật độ tự nhiên được tính ra (Mg/m³ hoặc g/cm³).

Trong không khí và nước, chúng là sóng âm thanh. Tốc độ lan truyền của sóng P là 330 m/s trong không khí, 1450 m/s trong nước, khoảng 5000 m/s trong các vật liệu cứng như sắt thép, đá granit,... Trong lòng Trái Đất, tốc độ lan truyền có thể lên đến trên 8000 m/s trong vỏ mỏ và nhân.

Trong địa vật lý, khi quan sát động đất tại các trạm địa chấn, sóng P xuất hiện đầu tiên, do đó được gọi là sóng P (Primary) hay còn gọi là sóng sơ cấp.

Sóng ngang

Sóng ngang (Sóng Dọc Ngang, Sóng Shear) hay còn được gọi là Sóng S, là loại sóng có dao động của môi trường vuông góc so với hướng truyền của nó. Sóng S lan truyền chậm hơn sóng P, thường chỉ khoảng 60% tốc độ của sóng P trong cùng môi trường. Sóng S chỉ lan truyền trong chất rắn và các chất không có cấu trúc rõ rệt gần như rắn, không thể truyền qua chất lỏng và khí. Tốc độ lan truyền của sóng ngang V_s được tính theo công thức sau:

$v_S=\sqrt{\frac{G}{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}}$

Các chỉ số đặc trưng của đá và đất trên Trái Đất cho ra tỷ số Vp/Vs trong khoảng gần bằng $\sqrt{3}$.

Trong việc quan sát động đất, sóng S (Secondary) được ghi nhận sau sóng P tại các trạm địa chấn, do đó có tên gọi là sóng thứ cấp.

Sóng bề mặt

Sóng bề mặt (Surface waves) lan truyền trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha của vật chất như rắn-không khí, nước-không khí, và rắn-lỏng. Lớp bùn trên đá cứng có thể được coi là một loại gần như lỏng và sóng bề mặt thường xuất hiện trên mặt đá cứng. Sóng trên mặt nước là một ví dụ điển hình cho sóng bề mặt.

Sóng bề mặt lan truyền chậm hơn cả sóng P và S, và phần dao động của môi trường có dạng phức tạp, với biên độ giảm dần theo độ sâu.

Trong lĩnh vực địa vật lý, các nghiên cứu về địa chấn đã phân loại ra hai loại sóng mặt khác nhau.

• Sóng Rayleigh, còn được biết đến là sóng cuộn đất (Ground roll) là loại sóng mặt lan truyền có hình dạng gợn sóng tương tự như sóng trên mặt nước. (Tuy nhiên, điều đáng lưu ý là trong sóng trên mặt nước, các hạt nước ở tầng nông lại chuyển động ngược và lực phục hồi vị trí của chúng là lực hấp dẫn, trong khi trong sóng Rayleigh và các loại địa chấn khác, lực phục hồi là lực phục hồi đàn hồi). Sự tồn tại của những loại sóng này đã được John William Strutt Lord Rayleigh dự báo vào năm 1885 và được đặt theo tên ông.
• Sóng Love là loại sóng mặt ngang có chiều phân cực ngang (Shear Horizontal, SH), chỉ xuất hiện trong môi trường vô hạn bị phủ bởi một lớp vật liệu có độ dày hữu hạn. Chúng được đặt tên theo nhà toán học người Anh A.E.H. Love, người đã tạo ra một mô hình toán học về sóng vào năm 1911. Sóng này có tốc độ nhanh hơn một chút so với sóng Rayleigh, khoảng 90% tốc độ sóng S, và có biên độ lớn nhất.

Trong các trận động đất mạnh, sóng mặt có thể có biên độ lên đến vài centimet, gây ra những thiệt hại nghiêm trọng.

Đối tượng nghiên cứu

• Thạch hành
• Trái Đất