Каковы основные особенности волнового движения кратко
Обновлено: 02.07.2024
волновое движение является распространением волны в среде, которая не содержит сопротивления на траектории и которая подвергается воздействию однородного гравитационного поля.
Волновое движение не переносит вещество с помощью электромагнитных или механических волн. Волны нарушают какие-то свойства среды через плотность, электромагнитное поле, давление и другие..
Этот тип движения также может быть проанализирован как состав двух прямолинейных движений, одной горизонтальной формы и одной вертикальной формы..
Ярким примером этого типа движения является звук. Он распространяется через продольные упругие волны через жидкость, которая создает вибрационное движение.
Характеристики волнового движения
Процесс, столь же фундаментальный, но в то же время сложный, как волновое движение, состоит из множества характеристик, которые определяют его природу и объясняют причину его возникновения. Некоторые из них:
Передача энергии
Волновое движение - это путь, пройденный волной, несущей энергию, а не материю. Этот процесс осуществляется с помощью материальных или нематериальных средств.
Средства распространения
Волновое движение передает волны через различные среды, и мы можем разделить их на: половину материала и половину материала.
Волны, передаваемые материальной средой (механические волны), - это те, в которых нет чистого переноса вещества в проходящей среде. Примером этого является волна, которая проходит через кнут.
Один конец его потрясен, и, даже если он не движется, через него распространяется волна. В этом типе движения мы находим звуковые волны, упругие волны и гравитационные волны.
Волны, передаваемые нематериальной средой (немеханические волны), не нуждаются в среде, они просто распространяются и совершают волновое движение в вакууме. Примером этого может быть движение электромагнитных волн.
Функция распространения
Есть продольные волны и поперечные волны. Продольные - это те, в которых движение волны параллельно направлению распространения волны..
С другой стороны, в поперечном направлении движение перпендикулярно направлению распространения волны.
Стационарные волны
Этот тип волн - это те, где есть интерференция двух волн одинаковой амплитуды, которые распространяются в противоположном направлении через среду..
Дифракция волн
Дифракция волн - это свойство, при котором волны окружают препятствие и превращают его в фокус излучателя этой волны..
Периодичность пульсаций
Волны также могут характеризоваться их периодичностью. Периодические волны - это те, которые распространяются в повторяющихся циклах. С другой стороны, непериодические волны - это волны, которые возникают изолированно и называются импульсами..
свойства
Волны характеризуются наличием различных свойств, которые позволяют прояснить и продемонстрировать, как происходит явление волнового движения..
Некоторые из этих свойств включают в себя отражение (отскок волны, как это происходит с эхом) и преломление (изменение направления при изменении материальной среды), среди других.
1. Механические колебания — точно или приблизительно повторяющееся движение, при котором тело смещается относительно положения равновесия, отклоняясь от него то в одну, то в другую сторону.
Для того чтобы возникли и совершались механические колебания необходима колебательная система. В механике изучаются две колебательные систем: математический и пружинный маятники.
2. Колебательная система — математический маятник — представляет собой тело, подвешенное на нити, размеры которого много меньше длины нити. Кроме того, нить математического маятника нерастяжима и не имеет массы, вся масса такого маятника сосредоточена в подвешенном к нити грузе.
В положении равновесия (рис. 59) на маятник действуют противоположно направленные сила тяжести \( \vec_т \) и сила упругости \( \vec_у \) . Их равнодействующая равна нулю.
При отклонении маятника от положения равновесия вправо эти две силы направлены
под углом друг к другу, и их равнодействующая \( \vec \) уже не равна нулю. Под действием равнодействующей силы \( \vec \) маятник начнёт двигаться к положению равновесия. Поскольку груз обладает инертностью, то он пройдет положение равновесия и отклонится от него в другую сторону. Дойдя до крайнего левого положения, маятник под действием равнодействующей сил тяжести и упругости начнёт двигаться к положению равновесия. Пройдя его, он опять отклонится вправо. Процесс будет повторяться. Таким образом, в процессе колебаний изменяются смещение, скорость, действующая на него сила, ускорение маятника. При этом ускорение маятника прямо пропорционально его смещению и направлено в противоположную сторону. Для математического маятника это равенство имеет вид: \( \vec=-\frac> \) , где \( l \) — длина нити маятника.
3. Колебательная система — пружинный маятник — это груз, прикреплённый к пружине (рис. 60). Считают, что масса пружины маятника мала по сравнению с массой груза, деформацией тела пренебрегают по сравнению с деформацией пружины. Кроме того, полагают, что деформация пружины подчиняется закону Гука \( (F=-kx) \) .
В состоянии равновесия пружина не деформирована (рис. 60), и на груз в горизонтальном направлении силы не действуют.
При выведении груза из состояния равновесия, на него будет действовать сила упругости
пружины \( \vec_у \) , прямо пропорциональная её удлинению и направленная к положению равновесия. Под действием этой силы груз начнёт двигаться к положению равновесия.
Благодаря инертности груз пройдёт положение равновесия. Пружина сожмется, и в ней опять возникнет сила упругости. Дойдя до крайнего левого положения, груз остановится, а затем под действием силы упругости начнёт возвращаться в положение равновесия. Пройдя его, он отклонится вправо, и процесс повторится. Пружинный маятник будет совершать свободные колебания относительно положения равновесия.
Колебания, которые маятник совершает за счет однократно переданной ему энергии, называются свободными.
В соответствии со вторым законом Ньютона \( F=ma \) . С другой стороны, \( F=-kx \) . Откуда \( ma=-kx \) , \( a=-\frac \) . Таким образом, ускорение колебаний пружинного маятника, так же как и математического, прямо пропорционально его смещению с обратным знаком. Такие колебания называются гармоническими.
4. Отклонение маятника от положения равновесия называется смещением \( (x) \) , а максимальное отклонение — амплитудой колебаний \( (A\, или \,x_0) \) .
Движение маятника от т. А до т. В и обратно до т. А называется полным колебанием. Время, за которое маятник совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний (см. рис. 59). Период обозначают буквой \( T \) и измеряют в секундах.
Если маятник совершил за 4 секунды 8 полных колебаний, то его период равен 0,5 с.
Величину, обратную периоду, называют частотой колебаний. Частоту обозначают буквой \( \nu \) . По определению \( \nu=1/T \) . Единица частоты 1 герц (Гц).
Один герц — это частота таких колебаний, при которых за 1 секунду совершается одно полное колебание: 1 Гц = 1 с -1 .
Если частота колебаний 5 Гц, то это означает, что за 1 секунду совершается 5 полных колебаний. Период таких колебаний равен: \( T \) = 0,2 с.
Период колебаний математического и пружинного маятников зависит от характеристик этих систем.
Формула периода колебаний математического маятника: \( T=2\pi\sqrt> \) , где \( l \) — длина нити маятника, \( g \) — ускорение свободного падения.
Формула периода колебаний пружинного маятника имеет вид: \( T=2\pi\sqrt> \) , где \( m \) — масса груза, \( k \) — коэффициент жёсткости пружины.
5. Основной задачей механики является определение положения тела, т.е. его координаты, в любой момент времени. Эта задача может быть решена, если известно уравнение, выражающее зависимость координаты тела от времени. Для гармонического колебания это уравнение имеет вид: \( x=x_0\!\cos\!\omega t \) или \( x=x_0\!\sin\!\omega t \) , в зависимости от того, какой была координата (смещение) маятника в начальный момент времени. В том случае, если маятник в начальный момент времени был отклонен от положения равновесия (начальная координата не равна нулю), изменение координаты происходит по закону косинуса; если он начал двигаться из положения равновесия \( (x_0=0) \) , то изменение координаты (смещения) подчиняется закону синуса. В записанном уравнении координаты \( \omega \) — циклическая частота колебаний. Циклическая частота колебаний равна числу колебаний за \( 2\pi \) секунд: \( \omega=2\pi\sqrt<\frac<2\pi>> \) . Циклическая частота, так же как и период колебаний маятника, зависит от параметров колебательной системы: \( \omega=2\pi\sqrt> \) и \( \omega=2\pi\sqrt> \) .
6. При выведении маятника из положения равновесия ему сообщают потенциальную энергию. За счет этой энергии происходит движение маятника к положению равновесия. В процессе движения потенциальная энергия переходит в кинетическую. В положении равновесия потенциальная энергия маятника равна нулю, а его кинетическая энергия максимальна. При движении маятника влево кинетическая энергия переходит в потенциальную; в крайнем левом положении кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная — максимальна. В отсутствие трения полная механическая энергия маятника сохраняется.
7. При наличии сопротивления воздуха сообщенная маятнику энергия расходуется на совершение работы против силы трения, энергия маятника постоянно уменьшается, и колебания со временем прекращаются. Говорят, что они затухают.
Таким образом, реальные свободные колебания маятника всегда затухающие.
Для получения незатухающих колебаний необходимо компенсировать потери энергии. Это можно сделать, действуя на маятник с некоторой периодической силой. В этом случае колебания происходят под действием внешней силы и становятся вынужденными. Работа этой силы и восполняет потери энергии, вызванные трением. Эти колебания будут вынужденными.
Вынужденные колебания — это колебания, происходящие под действием внешней, периодически изменяющейся силы. Частота вынужденных колебаний равна частоте изменения действующей на тело силы. Частота вынужденных колебаний равна частоте изменения внешней силы.
8. Если подвесить к верёвке, прикреплённой к стойке, несколько маятников разной длины и привести в колебания один из них, то и другие маятники начнут колебаться. Частота их колебаний будет равна частоте колебаний маятника, возбудившего колебании. При этом с наибольшей амплитудой будет колебаться маятник, длина которого равна длине этого маятника. Следовательно, наибольшую амплитуду колебаний имеет маятник, собственная частота колебаний которого совпадает с частотой вынуждающей силы. Явление, которое наблюдается в этом случае, называется резонансом.
Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний тела, наступающего при равенстве частоты изменения внешней силы и частоты собственных колебаний тела.
Явление резонанса необходимо учитывать в практике. Известны случаи, когда вследствие резонанса разваливался на части самолёт в воздухе, ломались гребные винты у судов, рушились железнодорожные рельсы. Во всех этих случаях с резонансом приходится бороться, изменяя либо собственную частоту системы, либо частоту силы, вызывающей колебания.
9. Механической волной называется процесс распространения механических колебаний в среде.
Волны, направление распространения которых перпендикулярно направлению колебаний частиц среды, называются поперечными.
Поперечные волны представляют собой чередование горбов и впадин (рис. 61).
Расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами называется длиной волны.
Длина волны обозначается букой \( \lambda \) и измеряется в метрах.
На расстояние, равное длине волны, волна распространяется за время, равное периоду колебаний.
Продольные волны — это такие, направление распространения которых совпадает с направлением колебаний частиц среды.
11. Волновое движение имеет следующие особенности:
- механические волны образуются благодаря инертности частиц среды и взаимодействию между ними, проявляющемуся в существовании сил упругости;
- каждая частица среды совершает вынужденные колебания такие же, что и первая частица, приведенная в колебания, частота которых равна частоте внешней силы. Период колебаний всех частиц одинаков;
- колебание каждой частицы происходит с запаздыванием, которое обусловлено её инертностью. Это запаздывание тем больше, чем дальше находится частица от источника колебаний;
- вместе с волной не переносится вещество, переносится энергия.
12. Распространение продольных волн связано с изменением объёма тела. Они могут распространяться как в твёрдых, так и в жидких и газообразных телах, поскольку во всех этих телах при изменении объёма возникают силы упругости.
Распространение поперечных волн связано главным образом с изменением формы тела. В газах и жидкостях при изменении формы силы упругости не возникают, поэтому поперечные волны в них распространяться не могут. Поперечные волны распространяются только в твёрдых телах.
Примером волнового движения в твёрдом теле является распространение колебаний во время землетрясений. От центра землетрясения распространяются как продольные, так и поперечные волны. Сейсмическая станция принимает сначала продольные волны, а затем поперечные, т.к. скорость последних меньше. Если известны скорости поперечной и продольной волн и измерен промежуток времени между их приходом, то можно определить расстояние от центра землетрясения до станции.
13. Скоростью волны считается скорость перемещения гребня или впадины в поперечной волне, сгущения или разрежения в продольной волне.
За время, равное периоду колебаний \( (T) \) , гребень или впадина перемещаются на расстояние, равное длине волны \( (\lambda) \) . Следовательно, скорость волны \( (v) \) равна: \( v=\frac<\lambda> \) .
Поскольку \( T=\frac \) , то формулу для скорости можно записать иначе: \( v=\lambda \nu \) .
Скорость волны равна произведению длины волны и частоты колебаний.
14. Колебания, происходящие с частотой от 16 Гц до 20 000 Гц, являются звуковыми колебаниями. Для распространения звуковых колебаний, так же как и любых механических колебаний, необходима упругая среда.
Скорость звука можно определить, если известны расстояние от источника звука \( S \) и время распространения звука \( t \) : \( v=\frac \) . Скорость звука неодинакова в разных средах и зависит от температуры среды.
Физиологическим характеристикам звука (громкости, высоте тона) соответствуют физические характеристики. Громкость звука определяется амплитудой колебаний. Чем она больше, тем громче звук. Звук тем выше, чем больше частота колебаний.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. Какой путь пройдёт груз математического маятника за 10 полных колебаний, если амплитуда колебаний равна 3 см?
1) 30 см
2) 60 см
3) 90 см
4) 120 см
2. Маятник совершает 20 полных колебаний за 10 с. Чему равна частота колебаний маятника?
1) 20 Гц
2) 2 Гц
3) 1 Гц
4) 0,5 Гц
3. Во сколько раз надо изменить массу груза пружинного маятника, чтобы период колебаний увеличился в 9 раз?
1) увеличить в 3 раза
2) уменьшить в 9 раз
3) уменьшить в 81 раз
4) увеличить в 81 раз
4. Массу груза математического маятника, совершающего гармонические колебания, увеличили в 9 раз. При этом период колебаний
1) увеличился в 3 раза
2) увеличился в 9 раз
3) уменьшился в 3 раза
4) не изменился
5. Если перенести математический маятник с Земли на Марс, то
1) частота колебаний не изменится
2) частота колебаний увеличится
3) частота колебаний уменьшится
4) маятник не будет колебаться
6. На рисунке представлен график колебаний математического маятника. Период колебаний маятника равен
1) 1 с
2) 2 с
3) 3 с
4) 4 с
7. Период колебаний частиц в волне можно вычислить по формуле
8. На рисунке показан график волны, бегущей вдоль упругого шнура, в некоторый момент времени. Длина волны равна расстоянию
1) ВС
2) BD
3) BE
4) OD
9. Сравните громкость звука и высоту тона двух звуковых колебаний, если для первого колебания: амплитуда \( A_1 \) = 2 мм, частота \( \nu_1 \) = 500 Гц, для второго колебания: \( A_2 \) = 4 мм, частота \( \nu_w \) = 300 Гц.
1) громкость первого звука больше, чем второго, а высота тона меньше
2) и громкость, и высота тона первого звука больше, чем второго
3) и громкость и высота тона первого звука, меньше, чем второго
4) громкость первого звука меньше, чем второго, а высота тона больше
10. Волна частотой 3 Гц распространяется в среде со скоростью 6 м/с. Длина волны равна
1) 18 м
2) 2 м
3) 1 м
4) 0,5 м
11. Математический маятник отвели в сторону и отпустили. Как будут изменяться значения величин, характеризующих колебания маятника при его движении к положению равновесия. Для каждой величины из первого столбца подберите соответствующее характеру её изменения слово из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры могут повторяться.
ВЕЛИЧИНЫ
A) смещение
Б) скорость
B) потенциальная энергия
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
12. Среди приведённых ниже положений укажите два правильных и запишите их номера в таблице.
1) Звук распространяется только в воздухе.
2) Колебания, частота которых больше 20 000 Гц, называются ультразвуком.
3) Инфразвук — колебания, частота которых больше 16 Гц.
4) Эхо — явление многократного отражения звуковых волн от преград.
5) Звуковые волны — поперечные.
Часть 2
13. Мимо рыбака, сидящего на пристани, прошло 5 гребней волны за 10 с. Каков период колебаний поплавка на волнах?
В этом видеоуроке мы поговорим о том, как механические колебания распространяются в среде. Узнаем, что называется механической волной и познакомимся с её основным свойством. Узнаем, чем отличаются друг от друга продольные и поперечные волны. А также рассмотрим основные характеристики волнового движения.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Волновые явления. Характеристики волны"
Помимо обычного колебательного движения в узкой области пространства, возможно ещё и распространение этих колебаний в среде. Вы знаете, что отдельные частицы любого тела — твёрдого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-либо частица тела начинает совершать колебательные движения, то в результате взаимодействия между частицами это движение начинает с некоторой скоростью распространяться во все стороны.
Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называется волновым процессом. А последовательное возникновение колебаний в точках, удалённых от источника, называется волной.
Наиболее отчётливо главные особенности волнового движения можно увидеть, если рассматривать волны на поверхности воды. Например, если мы бросим камень в воду, то в месте его падения по воде пойдут круги — это волны. Если на пути такой волны поместить поплавок, то он начнёт колебаться вверх-вниз, оставаясь при этом практически на месте. Из такого простого наблюдение вытекает одно из важнейших свойств волн: при возбуждении волны происходит процесс распространения колебаний, но не перенос вещества.
Колеблющееся тело, возбуждающее волновое движение частиц среды, называется источником волны или вибратором.
Механизм образования волны можно представить следующим образом. Источник колебаний (например, камертон) воздействует на частицы упругой среды, соприкасающиеся с ним, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи источника деформируется, и в ней возникают силы упругости, препятствующие деформации. Если частицы среды сближаются, то возникающие силы их отталкивают, а если удаляются друг от друга, то, наоборот, притягивают. Постепенно силы будут действовать на все более удалённые от источника частицы среды, приводя их в колебательное движение. В результате оно будет распространяться в виде волны.
Механические волновые явления имеют огромное значение в повседневной жизни людей. К этим явлениям относится не только распространение звуковых колебаний, благодаря которым мы можем слышать на расстоянии. Мелкая рябь на поверхности озера и огромные океанские волны — это тоже механические волны, хотя и иного типа.
Мы будем рассматривать только бегущие волны. Их основное отличие от других волн заключается в том, что они, распространяясь в пространстве, переносят энергию без переноса вещества.
В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают два вида волн: продольные и поперечные.
Поперечной называется волна, если частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны.
Рассмотрим подробнее процесс образования поперечных волн на примере волновой машины. В качестве колеблющихся частиц здесь выступают шарики, связанные друг с другом системой пружин (они спрятаны сзади). Источником колебаний будет выступать наша рука, вращающая рукоятку. Предположим, что вызванные нами колебания будут происходить вдоль оси игрек по гармоническому закону.
Обозначим буквами А, В, С и так далее частицы, отстоящие друг от друга на расстоянии в четверть периода, то есть на расстоянии, проходимом волной за одну четвёртую часть периода колебаний, совершаемых частицами. Будем считать, что волна распространяется вдоль оси икс слева направо. Заставим первую частицу двигаться вверх. Из-за возникающих сил упругости она потянет за собой остальные частицы. Однако на возникновение деформации и сил упругости потребуется некоторое время. Поэтому спустя четверть периода частица А достигнет своего крайнего верхнего положения. В этот момент своё движение вверх начнёт частица В. Спустя ещё четверть периода первая частица будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлении сверху вниз. Частица В достигнет своего крайнего верхнего положения. И в этот момент начнёт своё движение вверх частица, обозначенная нами буквой С. Спустя ещё четверть периода первая частица закончит полный цикл колебания и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в начальный момент. А вся волна к этому моменту времени, достигнет частицы D. Теперь все наши частицы расположены так, что образуют волну, состоящую из впадины и горба. В дальнейшем, благодаря силам взаимодействия каждая частица в цепочке будет повторять движение первой, но с некоторым запаздыванием, которое будет тем больше, чем дальше находится частица от источника волны.
Отметим, что поперечные волны возникают только в твёрдых телах, так как сдвиг слоёв относительно друг друга в газах и жидкостях не приводит к появлению сил упругости.
Но колебания частиц среды могут происходить не только перпендикулярно, но и вдоль направления распространения волны. Такие волны называются продольными.
Пронаблюдать закономерности продольных волн мы можем также на волновой машине, заставив шарики-частицы двигаться не вверх-вниз, а вправо-влево. Как видно, при прохождении продольной волны в среде создаются чередующиеся сгущения и разрежения частиц, перемещающиеся в направлении распространения волны с некоторой конечной скоростью.
Так как растягиваться и сжиматься может любая среда, то продольные механические волны могут распространяться в любых средах — твёрдых, жидких и газообразных.
На основании рассмотренных нами опытов мы можем сделать несколько очень важных выводов:
Во-первых, смещение каждой точки от положения равновесия происходит с течением времени периодически.
Во-вторых, смещения всех точек в каждый момент времени периодически изменяются от точки к точке, то есть являются периодической функцией координат.
А в-третьих, колебания частиц среды, в которой распространяется волна, являются вынужденными колебаниями, частота которых равна частоте колебаний источника волны.
Однако скорость распространения волны зависит от среды, в которой она распространяется. В основном это связано с тем агрегатным состоянием, в котором находится вещество. Напомним, что в твёрдых телах частицы расположены близко друг к другу и связь между ними велика. Следовательно, и скорость распространения волны в твёрдых телах будет самой высокой. В жидкостях частицы расположены дальше друг от друга и слабее взаимодействуют друг с другом. Поэтому скорость волн в них будет меньше, чем в твёрдых телах, но гораздо больше, чем в газах, так как в последних взаимодействие между частицами практически отсутствует.
Все время, пока существует волна, частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия и смещаются от него не более чем на амплитуду. При этом различные частицы колеблются со сдвигом по фазе, за исключением тех, положения равновесия которых находятся друг от друга на расстоянии υТ. Так вот, расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны. Очевидно, что длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется волна за период:
Необходимо помнить, что в действительности колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси, а совокупность частиц, заключённых в некотором объёме. Распространяясь от источника колебаний, волновой процесс охватывает все новые и новые части пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к данному моменту времени, называется фронтом волны (или волновым фронтом). Он представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлечённую в волновой процесс, от области, в которой колебания ещё не возникли
Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, образуют волновую поверхность. Её можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Поэтому волновых поверхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой фронт в каждый момент времени только один. Кроме этого, волновой фронт всё время движется в то время, как волновые поверхности остаются неподвижными.
Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют собой систему параллельных друг другу плоскостей, перпендикулярных к направлению распространения волны. Такие волны можно получить на поверхности воды в плоской ванночке с помощью колебаний плоского стержня.
В сферической волне волновые поверхности представляют собой концентрические сферы. Такая волна распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям. Сферическую волну может создать пульсирующий в однородной упругой среде шар.
А теперь, для закрепления нового материала решим с вами такую задачу. На рисунке изображён участок натянутого резинового шнура, по которому распространяется поперечная волна со скоростью 8 м/с. Определите частоту колебаний её источника.
В заключение отметим, что некоторые волновые процессы, наблюдаемые в природе, нередко переносят огромную энергию и являются причиной разрушений. К ним, например, относятся морские волны и, особенно, цунами. А также сейсмические волны, распространяющиеся в земной коре при землетрясениях или мощных взрывах.
Отдельные частицы любого тела — твердого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг с другом. Поэтому, если в каком-либо участке упругой среды возникнет деформация, то по прекращении внешних воздействий она не останется на месте, а начнет распространяться в среде во всех направлениях.
Изменение состояния среды, распространяющееся в пространстве с течением времени, называется волной.
В воздухе, в твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря силам упругости (упругие волны). Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. В образовании волн на поверхности воды играют роль сила тяжести и сила поверхностного натяжения (поверхностные волны).
Волновой импульс и гармонические волны
Волны могут иметь различную форму. Волновым импульсом (или одиночной волной) называется сравнительно короткое возмущение (всплеск) произвольной формы.. Такой импульс возникает, например, в резиновом шнуре, привязанном к стенке, если взмахнуть один раз рукой, держащей противоположный конец растянутого шнура (рис. 4.2).
Если возмущение среды вызывается периодической внешней силой, меняющейся со временем по гармоническому закону, то вызываемые ею волны называют гармоническими. В этом случае в каждой точке среды происходят гармонические колебания с частотой внешнего воздействия. Мы будем преимущественно рассматривать гармонические волны или волны, близкие к гармоническим. Это наиболее простой вид волнового движения. Исследование гармонических волн имеет первостепенное значение при построении теории любого волнового движения.
Главная особенность волнового движения
Наглядное представление об основных особенностях волнового движения можно получить, если рассматривать волны на поверхности воды. Волны имеют вид бегущих вперед округлых валов (рис. 4.3). Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако если бросить в воду легкий предмет, например спичечный коробок, то он не будет увлекаться вперед волной, а начнет совершать колебания вверх и вниз, оставаясь почти точно на одном месте**.
При распространении волны происходит передвижение формы (перемещение определенного состояния колеблющейся среды), но не перенос вещества, в котором распространяется волна. Возникшие в одном месте возмущения воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны. Течения же воды не возникает: перемещается лишь форма ее поверхности.
Скорость волны
Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Можно себе представить, например, что над морем летит чайка так, что она все время оказывается над одним и тем же гребнем волны. Скорость волны в этом случае будет равна скорости чайки. Волны на поверхности воды удобны для наблюдения по той причине, что скорость их распространения невелика.
Поперечные и продольные волны
Нетрудно наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнypa закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнypy побежит волна (рис. 4.4). Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнyp. Волна добежит до точки закрепления, отразится и побежит назад.
Здесь при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый же участок шнypa колеблется относительно своего неизменного положения равновесия. Обратите внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура отдельные его участки совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 4.5). Такие волны называются поперечными.
Но не любая волна является поперечной. Колебания могут происходить и вдоль направления распространения волны (рис. 4.6). Тогда волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать с помощью длинной мягкой пружины большого диаметра.
Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 4.7, а), можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом (рис. 4.7, б). Колебания любого витка пружины происходят в направлении распространения волны.
Из механических волн наибольшее значение имеют звуковые волны. Однако исследование звуковых волн представляет собой более сложную задачу, чем исследование воли вдоль шнура или пружины. Мы займемся ими детально в дальнейшем.
Энергия волны
При распространении волны происходит передача движения от одного участка тела к другому, С передачей движения волной связана передача энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Эта энергия, например, в шнуре слагается из кинетической энергии движения участков шнура и потенциальной энергии его упругой деформации.
Энергия волны от брошенного в воду камня увеличивает кинетическую энергию поплавка на поверхности воды, может увеличить и потенциальную энергию щепки, плавающей у берега.
При распространении волны происходит постепенное уменьшение амплитуды колебаний из-за превращения части механической энергии во внутреннюю. Если этими потерями можно пренебречь, то через поперечное сечение, например шнура, будет проходить в единицу времени одно и то же количество механической энергии .
Электромагнитные волны
Механические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Существует, однако, еще один вид волн, которые не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения. Это электромагнитные волны, к которым, в частности, относятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может существовать в вакууме (в пустоте), т. е. в пространстве, не содержащем атомов. Несмотря на всю необычность этих волн, на их резкое отличие от механических волн, электромагнитные волны при своем распространении ведут себя подобно механическим. В частности, электромагнитные волны также распространяются с конечной скоростью и несут с собой энергию. Это важнейшие свойства всех видов волн.
* Представление о распространении энергии было впервые введено русским ученым Н. А. Умовым (1846—1915).
** Детальные исследования показывают, что частицы воды не колеблются на одном месте, а совершают более сложное движение. Однако и волны на поверхности воды подчиняются общим для всех волн закономерностям.
Читайте также: