Vận tốc sóng cắt là gì?
Vận tốc sóng cắt (Vs) là tốc độ lan truyền của sóng ngang, hay còn gọi là sóng thứ cấp (sóng S), qua một vật liệu rắn. Khác với sóng dọc (sóng P), sóng cắt làm các hạt vật chất dao động vuông góc với hướng truyền sóng và không thể truyền qua chất lỏng. Vs là một thông số nền tảng trong địa chấn học, kỹ thuật địa kỹ thuật và khoa học vật liệu, được dùng để đánh giá độ cứng của đất, tính chất của đá cũng như hành vi đàn hồi của kim loại và vật liệu composite.
Cách sử dụng công cụ
Nhập mô đun cắt G của vật liệu theo đơn vị pascal (Pa) và mật độ khối lượng ρ theo kilôgam trên mét khối (kg/m³). Công cụ sẽ trả về vận tốc sóng cắt tính bằng mét trên giây, kèm theo kết quả quy đổi sang kilômét trên giây cho tiện theo dõi. Hãy đảm bảo bạn dùng các đơn vị SI thống nhất để kết quả thu được chính xác theo m/s.
Giải thích công thức
Phương trình cơ bản là $$V_s = \sqrt{\dfrac{\text{Shear Modulus }G\text{ (Pa)}}{\text{Density }\rho\text{ (kg/m}^3\text{)}}}$$ Mô đun cắt (mô đun cứng vững) \(G\) thể hiện khả năng chống lại sự biến đổi hình dạng của vật liệu dưới tác dụng của ứng suất cắt, trong khi \(\rho\) là mật độ của vật liệu đó. Vật liệu càng cứng (\(G\) càng lớn) thì truyền sóng cắt càng nhanh, còn vật liệu càng đặc (\(\rho\) càng lớn) thì làm sóng truyền chậm lại. Mối quan hệ căn bậc hai có nghĩa là vận tốc tỉ lệ với căn bậc hai của tỉ số độ cứng trên mật độ.
Ví dụ minh họa
Với nhôm, \(G \approx 26\ \text{GPa}\) (26.000.000.000 Pa) và \(\rho \approx 2700\ \text{kg/m}^3\). Khi đó $$V_s = \sqrt{\frac{26{.}000{.}000{.}000}{2700}} = \sqrt{9{.}629{.}629{,}6} \approx 3103\ \text{m/s}$$ tức khoảng 3,1 km/s — rất sát với giá trị vận tốc sóng cắt của nhôm thường thấy trong sách giáo khoa.
Câu hỏi thường gặp
Nên dùng đơn vị nào? Hãy dùng pascal cho \(G\) và kg/m³ cho \(\rho\) để có vận tốc theo m/s. 1 GPa = 1.000.000.000 Pa.
Vì sao Vs luôn nhỏ hơn Vp? Sóng dọc phụ thuộc vào cả mô đun khối lẫn mô đun cắt, nên chúng truyền nhanh hơn sóng cắt trong cùng một môi trường.
Sóng cắt có truyền qua chất lỏng được không? Không. Chất lỏng có mô đun cắt bằng không (\(G = 0\)), nên \(V_s = 0\) — chất lỏng không thể duy trì sóng cắt.
