Что такое волна в физике

Что такое волна?

Какая-нибудь сплетня, пущенная в Вашингтоне, очень быстро доходит до Нью-Йорка, несмотря на то что ни одно лицо, принимавшее участие в ее распространении, не передвигалось между этими двумя городами. Имеются два совершенно различных способа передачи или движения слухов из Вашингтона в Нью-Йорк и движения лиц, передающих слух.

Порыв ветра, проносясь над хлебным полем, создает волну, которая распространяется по всему полю. И здесь опять мы должны делать различие между движением волны и движением отдельных растений, которые совершают лишь малые колебания. Все мы видели волны, которые распространяются всё более и более широкими кругами, когда в воду брошен камень. Движение волны сильно отличается от движения частиц воды. Частицы движутся лишь вверх и вниз. Наблюдаемое движение волны — это перемещение некоторого состояния вещества, а не самого вещества. Пробка, плавающая на волне, ясно показывает это, ибо она движется вверх и вниз, подражая действительному движению воды, а не переносится вдоль волны.

Чтобы лучше понять механизм волны, рассмотрим опять идеализированный эксперимент. Предположим, что огромное пространство сплошь заполнено водой, или воздухом, или какой-либо другой «средой». Где-то в центре имеется шар (рис. 40). В начале эксперимента никакого движения нет вовсе. Вдруг шар начинает ритмически «дышать», расширяясь и сжимаясь в объеме, однако все время оставаясь сферическим по форме. Что происходит в среде? Начнем рассмотрение в тот момент, когда шар начинает расширяться. Частицы среды, находящиеся в непосредственной близости к шару, отталкиваются, так что плотность прилегающего к шару слоя воды или воздуха увеличивается против своего нормального значения. Точно так же, когда шар сжимается, то плотность той части среды, которая непосредственно окружает шар, будет уменьшаться. Эти изменения плотности распространяются во всей среде. Частицы, составляющие среду, проделывают лишь малые колебания, но движение в целом — это движение распространяющейся волны. Существенно новым здесь является то, что впервые мы рассматриваем движение чего-то, что есть не вещество, а энергия, распространяющаяся в веществе.

Используя пример пульсирующего шара, мы можем ввести два общих физических понятия, важных для характеристики волн. Первое — это скорость, с которой распространяется волна. Она будет зависеть от среды и будет различна, например, для воды и воздуха. Второе понятие — длина волны — это расстояние от углубления одной волны до углубления следующей или же расстояние от гребня одной волны до гребня следующей. Морские волны имеют бо?льшую длину волны, чем волны на реке. В наших волнах, образующихся благодаря пульсации шара, длина волны — это расстояние, взятое в некоторый определенный момент между двумя соседними шаровыми слоями, у которых одновременно плотность имеет максимальное или минимальное значение. Очевидно, что это расстояние зависит не только от среды. Большое влияние будет, конечно, иметь быстрота пульсации шара; так, длина волны будет короче, если пульсация становится быстрее, и длиннее, если пульсация медленнее.

Это понятие волны оказывается очень удачным в физике. Оно является определенно механическим понятием. Явление сводится к движению частиц, которые, согласно кинетической теории, образуют вещество. Таким образом, всякая теория, которая употребляет понятие волны, может, вообще говоря, считаться механической теорией. В частности, объяснение акустических явлений существенно опирается на это понятие. Колеблющиеся тела, например, такие, как голосовые связки или скрипичные струны, являются источниками звуковых волн, которые распространяются в воздухе, аналогично тому как это имеет место для волн, образующихся от пульсирующего шара. Таким образом, с помощью понятия волны можно все акустические явления свести к механическим.

Уже было подчеркнуто, что мы должны отличать друг от друга движение частиц и движение самой волны, которая является состоянием среды. Оба движения совершенно различны, но очевидно, что в нашем примере пульсирующего шара оба движения происходят вдоль одной и той же прямой. Частицы среды колеблются в небольших пределах, и плотность увеличивается и уменьшается периодически в соответствии с этим движением. Направление, в котором распространяются волны, и направление, вдоль которого совершаются колебания, одно и то же. Волны этого типа называются продольными. Но является ли этот тип волн единственным? Для наших дальнейших рассуждений важно ясно представить себе возможность другого типа волны, называемой поперечной.

Изменим наш предыдущий пример. Пусть мы по-прежнему имеем шар, но он погружен в среду другого рода: вместо воздуха или воды взято нечто вроде студня или желе. Более того, шар больше не пульсирует, а поворачивается на небольшой угол сначала в одном направлении, а затем в обратном, всегда в одном и том же ритме и вокруг определенной оси (рис. 41). Желе прилипает к шару, и прилипающие частицы вынуждены повторять его движение. Эти частицы вынуждают частицы, расположенные немного дальше, повторять то же движение и т. д., так что в среде возникает волна. Если мы помним о различии между движением среды и движением волны, то мы видим, что в данном случае они явно не совпадают. Волна распространяется в направлении радиуса шара, а частицы среды движутся перпендикулярно к этому направлению. Следовательно, мы создали поперечную волну.

Волны, распространяющиеся на поверхности воды, поперечны. Плавающая пробка движется вверх и вниз, а волна распространяется вдоль горизонтальной плоскости. С другой стороны, звуковые волны дают нам наиболее известный пример продольных волн.

Еще одно замечание: волна, созданная пульсирующим или колеблющимся в однородной среде шаром, — это сферическая волна. Она называется так потому, что в любой данный момент все точки среды, размещающиеся на любой сфере, окружающей источник, ведут себя одинаковым образом. Рассмотрим часть такой сферы на большом расстоянии от источника (рис. 42). Чем дальше от источника мы берем такую часть сферы и чем меньшую часть мы берем, тем больше она похожа на часть плоскости. Не стремясь быть слишком строгими, мы можем сказать, что нет существенного различия между частью плоскости и частью сферы, радиус которой достаточно велик. Очень часто мы говорим о небольших частях сферической волны, далеко продвинувшейся от ее источника, как о плоских волнах. Чем дальше мы помещаем заштрихованную на рисунке часть поверхности от центра сферы и чем меньше угол между двумя радиусами, тем более она приближается к представлению о плоской волне. Понятие плоской волны, подобно многим другим физическим понятиям, есть не больше как абстракция, которую мы можем осуществить лишь с известной степенью точности. Тем не менее это полезное понятие, и оно нам понадобится в дальнейшем.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

В помощь читателю: 7. Волны

Волна — это периодическое колебание, распространяющееся в пространстве. Если взглянуть на всю волну сразу в какой-то фиксированный момент времени, то ее профиль регулярно повторяется на расстоянии, которое называется длина волны λ. Длина волны — это пространственный аналог периода колебания. Если, наоборот, выбрать какую-то одну точку в пространстве и следить за ее колебанием во времени, получится обычное колебание с периодом T, которое мы только что описали.

Бегущая волна. Изображение с сайта resource.isvr.soton.ac.uk

А если, наконец, следить за всей волной с течением времени, то мы увидим бегущую волну: регулярный профиль, в котором пространственная и временная периодичности связаны друг с другом и который движется со скоростью

v =	λ	.
	T

Эта одна из ключевых формул для наших целей.

Понимаемая широко, она связывает друг с другом типичные пространственные и временные масштабы для тех явлений, чьим представителем является эта волна.

Например, если мы хотим узнать типичный период колебаний атомов в твердом теле, мы первым делом находим волну из того же круга явлений (звук в сплошной среде — это и есть синхронные колебания атомов), берем скорость этой волны (несколько км/с в твердом теле) и типичные межатомные расстояния — и тогда эта формула дает нам типичный период колебаний. Конечно, тут есть куча тонкостей, но для самой первой оценки по порядку величины этот подход достаточен.

Два примера бегущих волн: звуковая волна в газе (слева) и волна на поверхности воды (справа). Внимание: не путайте скорость волны и скорость отдельной частицы в этой волне! Изображение с сайта acs.psu.edu

Так же, как и период свободных колебаний, скорость волны — это чрезвычайно важная характеристика. Она не может быть какой угодно, она определяется именно свойствами колеблющейся среды. Она характеризует то, как влияют друг на друга колебания в соседних областях пространства, как перетекают друг в друга разные формы энергии, запасенные в волне. Словом, скорость волны описывает то, как волна живет. Поэтому, когда физики хотят увидеть невидимые глазом подробности устройства среды, по которой распространяются волны, они часто измеряют скорость волны для разных длин волн.

Волна

BernoullisLawDerivationDiagram

‎Волна́ — изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры. [1] , [2]

Более правильное определение: Волна — это явление распространения в пространстве с течением времени возмущения физической величины.

Независимо от природы волны перенос энергии осуществляется без переноса вещества; последнее может возникнуть лишь как побочный эффект. Перенос энергии — принципиальное отличие волн от объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук — это лишь название для особого скоординированного типа движения тех же самых молекул. То есть большинство волн — это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).

Имеются, однако, волны, которые являются не « электромагнитные волны в современной физике — это не колебание некоторой среды (называвшейся в XIX веке эфиром), а самостоятельное, самоподдерживающееся поле, способное распространяться в вакууме. Аналогично обстоит дело и с волнами вероятности материальных частиц.

1 Характеристики волны
- 1.1 Временна́я и пространственная периодичности
- 1.2 Интенсивность волны
- 4.1 Распространение в однородных средах
- 4.2 Пространственные размеры волны
- 4.3 Поляризация волн
- 4.4 Взаимодействие с телами и границами раздела сред
- 4.5 Наложение волн
- 6.1 Синусоидалные волны
- 6.2 Уравнение волны
- 6.3 Смодулированные волны
- 6.4 Постоянная волна
- 6.5 Вибрационные волны
- 6.6 Гармоническая волна
- 6.7 Лучи волны
Характеристики волны [ ]

Временна́я и пространственная периодичности [ ]

Временная и пространственная периодичности взаимосвязаны, что отражено в f = c λ <\lambda>\,>

Где: c — скорость распространения волны в данной среде.

Строго говоря, это равенство справедливо только для гармоничных волн.

Интенсивность волны [ ]

О силе волны судят по её I . Его направление совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению вектора. При небольших амплитудах:

I = k A 2 где A — амплитуда; k — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, где эта волна распространяется.

Классификации волн [ ]

Имеется множество классификаций волн, различающиеся по своей физической природе, по конкретному механизму распространения, по среде распространения и т.п.

Волны можно классифицировать:
- Океанские поверхностные волны, которые являются волнениями, которые образуются посредством воды;
- Электромагнитные волны ( инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгены, и гамма-лучи, которые составляют электромагнитную радиацию), которые могут перемещаться без среды, в вакууме со скоростью света, равной 299 792 458 м\с в вакууме;
- Звук — механическая волна, которая образуется в газах, жидкости, в средах с твердыми частицами и плазме;
- землетрясениях, из которых есть три типа, названные S, Гравитационная волна — гравитационное излучение, излучение гравитационных волн, или волн тяготения, неравномерно движущимися массами (телами). [3] Или гравитационная волна — возмущение скоростью света.
- интерфейсе между сопряжениями двух элементов (СМИ) (например, атмосфера и океан), которые могут быть восстановлены силами Coriolis ;
- Волны в плазме .
По отношению к направлению колебаний частиц среды, в которой распространяется волна, выделяют:
- продольные волны (волны сжатия, P-волны) — волна распространяется параллельно колебаниям частиц среды (звук);
- поперечные волны (волны сдвига, S-волны) — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред);
- волны смешанного типа.
По виду фронта волны (поверхности равных фаз):

На Рис.1 показаны периодические волны, которые характеризуются гребнями (максимумы) и впадинами (минимумами), и могут обычно категоризироваться как или продольные или поперечные.
- Поперечные волны — волны с напрвлением колебаний, перпендикулярным к вектору распространения волны; примером служат волны в области электромагнитных волн. *Продольные волны — те, крторые имеют колебания, параллельные вектору распространения волны; например, большинство звуковых волн.
Когда объект подпрыгивает на ряби в водоёме, то вектор движения точек волны происходит по орбитальной траектории. Появляющаяся рябь — не простые поперечные синусоидальные волны.

Все волны имеют общее поведение со множеством стандартных ситуаций.

По демонстрируемым волнами физическим проявлениям их можно разделить на:
- Генерация локализованным источником колебаний (излучателем, антенной).
- Спонтанная генерация волн в объёме при возникновении волны на воде при достаточно большой скорости звуковые волны.
Общие свойства волн [ ]

Распространение в однородных средах [ ]

При распространении волн изменения их скорости в пространстве и времени зависят от свойств анизотропности среды, сквозь которую проходят волны.

Чаще волны в некоторой среде затухают, что связано с монохроматические волны встречаются очень редко. Поэтому наряду с скорость «центра тяжести» волнового пакета.

Групповая и фазовая скорости совпадают только для линейных волн. Для нелинейных волн групповая скорость может быть как больше, так и меньше фазовой скорости. Однако когда речь идёт о скоростях, близких к скорости света, проявляется заведомое неравноправие между групповой и фазовой скоростями. Фазовая скорость не является ни скоростью движения материального объекта, ни скоростью передачи данных, поэтому она может превышать скорость света, не приводя при этом ни к каким нарушениям теории относительности. Групповая же скорость характеризует скорость движения сгустка энергии, переносимой волновым пакетом, и потому не должна превышать скорость света. Однако при распространении волны в метастабильной среде удаётся в определённых случаях добиться групповой скорости, превышающей скорость света.

Поскольку волна переносит энергию и импульс, то её можно использовать для передачи информации. При этом возникает вопрос о максимально возможной скорости передачи информации с помощью волн данного типа (чаще всего речь идёт об электромагнитных волнах). При этом скорость передачи информации никогда не может превышать скорости света, что было подтверждено экспериментально даже для волн, в которых групповая скорость превышает скорость света.

Пространственные размеры волны [ ]

Когда говорят о пространственном размере волны, то имеют в виду размер той области пространства, где амплитуду колебания нельзя считать (в рамках рассматриваемой задачи) пренебрежимо малой. Большинство волн могут, теоретически, обладать сколь угодно большим размером, как в направлении движения, так и поперёк него. В реальности же все волны обладают конечными размерами. Продольный размер волны, как правило, определяется длительностью процесса излучения волны. Поперечный же размер определяется рядом параметров: размером излучателя, характером распространения волны (например, плоская, сферически расходящаяся волна и т. д.).

Некоторые виды волн, в частности, Поляризация волн [ ]

Если в поперечной волне нарушается симметрия распределения возмущений (например, напряжённость электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения, то мы имеем дело с поляризованной волной. В продольной волне поляризация возникнуть не может, т. к. распространение возмущения всегда совпадает с направлением распространения волны.

Подробней на эту тему см. статью «Поляризация волн».

Взаимодействие с телами и границами раздела сред [ ]

Если на пути волны встречается какой-либо дефект среды, тело или граница раздела двух сред, то это приводит к искажению нормального распространения волны. В результате этого часто наблюдаются следующие явления:
- эффект Доплера — изменение длины и амплитуды волн при движении приёмника или источника излучения.
Конечный результат проявления от встречи волн зависит от их свойств: физической природы, когерентности, поляризации и т. д.

Виды волн [ ]

Классифицированные волны можно в основном представить как:
- Синусоидалные волны;
- Смодулированные волны;
- Постоянные волны;
- Вибрирующие волны;
- Гармонические волны.
Математические описания волн [ ]

Математическое описание волн основывается на представлении о них, как о пространственно распространяющихся колебаниях, и в общем виде записывается:

где u — отклонение от некоего среднего положения в точке r во время t .

Более определённый вид уравнения зависит от типа волны.

Синусоидалные волны [ ]

Математически, самая основная волна — волна синуса (или гармоническая волна или синусоида), с амплитудой u описанный уравнением:

u ( x , t ) = A cos ⁡ ( k x − ω t + ϕ ) ,
- A — полуамплитуда волны, половина амплитуды: пика-к-пику, часто называемой просто амплитуда или максимальное расстояние от самого высокого пункта волнения в среде (гребень) к пункту равновесия в течение одного цикла волны. На иллюстрации направо, это — максимальное вертикальное расстояние между основанием и волной;
- x — абсцисса (вектор распространения волны),
- t — координата времени,
- k — пространственная частота,
- ω — временная частота,
- φ — погашение фазы.
Единицы полуамплитуды зависят от типа волны — волн, выраженных через амплитуду как расстояние, например в метрах, от звуковых волн, выраженных через давление и электромагнитных волн, выраженных через амплитуду электрической области (вт/метр).
- λ — длина волны — расстояние между двумя последовательными гребнями (или впалдинами), измеряется в метрах.
- k — пространственная частота волны в радианах аналогиччно при подсчёте из расстояния единицы длины в метрах, может быть связана с длиной волны отношением:
k = 2 π λ . <\lambda>. \!>

Период T — время для одного полного цикла колебания волны. Частота f (также часто обозначаемый как ν ) — число периодов в единицу времени (в секунду) и измерена в герц. Они связаны:

Вообще, частота и период волны — аналоги. Угловая частота ω представляет частоту в радианах в секунду. Это связано с частотой:

ω = 2 π f = 2 π T . . \, >

Длина волны может быть полезным понятием, даже если волна не является периодической. Например, в океанской волне, приближающейся к берегу, показанному на фигуре, поступающая волна взаимодействует с переменной местной длиной волны, которая зависит частично от глубины морского дна по сравнению с высотой волны. Анализ волны может быть основанным на сравнении местной длины волны с местной водной глубиной. [5]

Хотя произвольные формы волны образуются неизменно без потерь в линейных инвариантных во времени системах, без присутствия дисперсии. Волна [6] , [7] . Функция синуса является периодической, таким образом волна синуса или синусоида имеют длину волны в месте и периоде одновременно. [8] , [9] Синусоида и расстояния определяются навсегда, тогда как в физических ситуациях мы обычно имеем дело с волнами, которые существуют для ограниченного диапазона в месте и в промежутке времени.

Уравнение волны [ ]

Уравнение волны — частичное отличительное уравнение, которое описывает развитие волны в течение долгого времени в среде, где волна формируется на той же самой скорости, независимой от длины волны и независимый от амплитуды. [10] Общие решения основаны на принципе [11]

В частности рассмотрим уравнение волны в одном измерении, например, в применении к множеству волн. Предположим, что одномерная волна движется по оси X со скоростью v и амплитудой u (которая, вообще, зависит и от x и от t), уравнение волны:

u ( x , t ) = F ( x − v t ) + G ( x + v t ) .

Скорость v зависит от среды, через которую перемещается волна.

Общее решение для уравнения волны в одном измерении давалось [12] .

Эта формула представляет две формы волны, движущейся через среду в противоположных направлениях:
- F—в положительном x направлении,
- Г—в отрицательном x направлении (Формы F и Г функционально произвольны).
Смодулированные волны [ ]

Амплитуда волны может быть постоянной или может быть смодулирована, чтобы измениться со временем и/или положением. Схему изменения в амплитуде называют «конвертом волны». Математически, смодулированная волна может быть написана в форме: [13] , [14] , [15]

u ( x , t ) = A ( x , t ) sin ⁡ ( k x − ω t + ϕ )

где — конверт амплитуды волны, k — число волны, и φ — фаза. Если скорость группы (см. ниже) — независимая длина волны, это уравнение может быть упрощено как: [16]

u ( x , t ) = A ( x − v g t ) sin ⁡ ( k x − ω t + ϕ )

где v_g является скоростью группы, показывая, что «конверт волны» перемещается со скоростью v_g и сохраняет его форму. Иначе, в случаях, когда скорость группы изменяется с изменением длины волны, то изменения формы импульса часто описываемое в виде, как в случае при использовании уравнения «конверта волны». [17] , [18]

Постоянная волна [ ]

Постоянная волна, известная как постоянная волна, является волной, которая остаётся в постоянном положении. Это явление произходит тогда, когда среда перемещается в противоположном направлении к волне, или это может возникнуть в постоянной среде в результате вмешательства между двумя волнами, движущихся в противоположных напправлениях.

Сумма двух противоположно движущихся волн (равной амплитуды и частоты) создает постоянную волну. Постоянные волны обычно возникают, когда граница блокирует дальнейшее распространение волны, таким образом вызывая отражение волны, и поэтому вводя противоположнодвижущуюся волну. В экстремальных точках, две противоположных волны находятся в антифазе и отменяют друг друга, производя узел. На полпути между двумя узлами есть антиузел, где две противоразмножающихся волны увеличивают друг друга максимально. Нет в среднем положении никакого чистого распространения энергии .

См. также: Вибрационные волны [ ]

Скорость волны, распространняющаяся по вибрирующему множеству волн («веренице») (v) напрямую пропорциональна квадратному корню напряженности множества волн («вереницы») (T) по линейной массовой плотности (μ):

где (μ) — линейная плотность — масса на единицу длины «вереницы».

Гармоническая волна [ ]

Изменение колеблющейся величины u для гармонически распространяющейся волны в любой точке описывается формулой:

где A — амплитуда, t — время, а T — r от первой в направлении распространения волны, изменение u происходит с опозданием на время t 1 :

u ( r , t ) = A sin ⁡ 2 π T ( t − t 1 ) = A sin ⁡ 2 π T ( t − r c ) \left( t — t_1 \right) = A \sin \left( t — \right)> где c — скорость распространения волны в данной среде.

Лучи волны [ ]

Направления исследований волн [ ]
- Получение См. также [ ]
- Гравитационная волна
- Гравитация
- Волны на воде
- Волновая теория
- Электромагнитное поле
Ссылки [ ]
1. ↑Горелик Г. С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. — М.: Гос. издат. ф.— м. лит-ры, 1959, с. 144.
2. ↑http://en.wikipedia.org/wiki/Wave
3. ↑http://bse.sci-lib.com/article012647.html
4. ↑ Paul R Pinet. op. cit.. p. 242. ISBN 0763759937. http://books.google.com/books?id=6TCm8Xy-sLUC&pg=PA242.
5. ↑ Paul R Pinet. op. cit.. p. 242. ISBN 0763759937. http://books.google.com/books?id=6TCm8Xy-sLUC&pg=PA242.
6. ↑ Mischa Schwartz, William R. Bennett, and Seymour Stein (1995). Communication Systems and Techniques. John Wiley and Sons. p. 208. ISBN 9780780347151. http://books.google.com/books?id=oRSHWmaiZwUC&pg=PA208&dq=sine+wave+medium++linear+time-invariant&lr=&as_brr=3&ei=u69cSpuKNZDKkASph-GaBw.
7. ↑ See Eq. 5.10 and discussion in A. G. G. M. Tielens (2005). The physics and chemistry of the interstellar medium. Cambridge University Press. pp. 119 ff. ISBN 0521826349. http://books.google.com/books?id=wMnvg681JXMC&pg=PA119. ; Eq. 6.36 and associated discussion in Otfried Madelung (1996). Introduction to solid-state theory (3rd ed.). Springer. pp. 261 ff. ISBN 354060443X. http://books.google.com/books?id=yK_J-3_p8_oC&pg=PA261. ; and Eq. 3.5 in F Mainardi (1996). «Transient waves in linear viscoelastic media». in Ardéshir Guran, A. Bostrom, Herbert Überall, O. Leroy. Acoustic Interactions with Submerged Elastic Structures: Nondestructive testing, acoustic wave propagation and scattering. World Scientific. p. 134. ISBN 9810242719. http://books.google.com/books?id=UfSk45nCVKMC&pg=PA134.
8. ↑ Aleksandr Tikhonovich Filippov (2000). The versatile soliton. Springer. p. 106. ISBN 0817636358. http://books.google.com/books?id=TC4MCYBSJJcC&pg=PA106.
9. ↑ Seth Stein, Michael E. Wysession (2003). An introduction to seismology, earthquakes, and earth structure. Wiley-Blackwell. p. 31. ISBN 0865420785. http://books.google.com/books?id=Kf8fyvRd280C&pg=PA31.
10. ↑ Michael A. Slawinski, Klause Helbig (2003). «Wave equations». Seismic waves and rays in elastic media. Elsevier. pp. 131 ff. ISBN 0080439306. http://books.google.com/books?id=s7bp6ezoRhcC&pg=PA134.
11. ↑ Jalal M. Ihsan Shatah, Michael Struwe (2000). «The linear wave equation». Geometric wave equations. American Mathematical Society Bookstore. pp. 37 ff. ISBN 0821827499. http://books.google.com/books?id=zsasG2axbSoC&pg=PA37.
12. ↑ Karl F Graaf (1991). Wave motion in elastic solids (Reprint of Oxford 1975 ed.). Dover. pp. 13–14. http://books.google.com/books?id=5cZFRwLuhdQC&printsec=frontcover.
13. ↑ Christian Jirauschek (2005). FEW-cycle Laser Dynamics and Carrier-envelope Phase Detection. Cuvillier Verlag. p. 9. ISBN 3865374190
14. ↑ Fritz Kurt Kneubühl (1997). Oscillations and waves. Springer. p. 365. ISBN 354062001X
15. ↑ Mark Lundstrom (2000). Fundamentals of carrier transport. Cambridge University Press. p. 33. ISBN 0521631343
16. ↑ Chin-Lin Chen (2006). «§13.7.3 Pulse envelope in nondispersive media». Foundations for guided-wave optics. Wiley. p. 363. ISBN 0471756873. http://books.google.com/books?id=LxzWPskhns0C&pg=PA363.
17. ↑ Chin-Lin Chen (2006). «§13.7.3 Pulse envelope in nondispersive media». Foundations for guided-wave optics. Wiley. p. 363. ISBN 0471756873. http://books.google.com/books?id=LxzWPskhns0C&pg=PA363.
18. ↑ Stefano Longhi, Davide Janner (2008). «Localization and Wannier wave packets in photonic crystals». in Hugo E. Hernández-Figueroa, Michel Zamboni-Rached, Erasmo Recami. Localized Waves. Wiley-Interscience. p. 329. ISBN 0470108851. http://books.google.com/books?id=xxbXgL967PwC&pg=PA329.
Литература [ ]
- Крауфорд Ф. Берклеевский курс физики, том 3, Волны.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Курс теоретической физики, том 6, Гидродинамика. издание?
- Уизем, Дж. Линейные и нелинейные волны — М.: Мир, 1977.
- Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 85—88. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
Волны в физике. Виды и параметры. Свойства и особенности

Волнообразные процессы встречаются в природе и на практике довольно часто. Они хорошо различимы при наблюдении за кругами, образующимися от брошенного в воду камня. Волновые явления широко распространены в радиотехнике, где с их помощью описываются электромагнитные эффекты. Волны в физике – это периодически повторяющиеся колебания частиц материи, проявления которых в природе очень разнообразны. Но, несмотря на это, их образование и распространение описывается одними и теми же физическими формулами.

Что такое волны в физике и какова причина их возникновения

Большинству пользователей известно, что твердые, жидкие и газообразные тела состоят из множества микроскопических частиц (молекул), непрерывно взаимодействующих между собой. Если в какой-то точке под воздействием внешнего импульса элементы вещества начинают колебаться – в движения приходят и ближайшие к ним участки. Возникшие при этом взаимодействия чаще всего распространяются в виде гармонических колебаний или волн.

Особо отметим, что эти возмущения перемещаются в пространстве с определенной скоростью, зависящей от структуры вещества и особенностей составляющего его материала. Из этого следует, что волны в физике – это взаимодействия материальных частиц, которые могут быть описаны и представлены наглядно.

В математике, непосредственно связанной с физикой, волновые процессы иллюстрируются в виде развернутых по временной оси синусоидальных колебаний. В таком представлении удобно оценивать количественные характеристики гармонических процессов, а также наглядно демонстрировать характер распространения самих волн.

При образовании колебаний в жидких, твердых и газообразных средах переноса вещества, как такового, не происходит. Каждая материальная точка только меняет свое состояние, оставаясь неподвижной в направлении кажущегося распространения. Волны, образованные брошенным в воду камнем – это визуально воспринимаемая «картинка» сферических зон, передающих энергию соседним участкам.

Наблюдателю только кажется, что колебания распространяются во все стороны. На самом деле перетекания жидкости из одного места в другое не происходит. Меняется лишь рельеф водной поверхности в определенных точках, положение которых зависит от частоты и амплитуды инициированных колебаний.

Какими бывают волны по способу их формирования

Среди известных колебательных процессов выделяются две разновидности, получившие название «поперечных» и «продольных» волн. В образованиях первого типа возбужденные материальные частицы колеблются перпендикулярно направлению кажущегося перемещения, а во втором случае – вдоль линии распространения начального импульса.

Убедиться в наличии волн продольного типа можно на опыте с относительно мягкой и длинной пружиной значительного диаметра. Если ударить по одному ее концу ладонью руки – то зона сжатия отдельных витков начнет «перемещаться» по горизонтали, образуя на расположенных рядом участках своеобразные «растяжения». Повторяя удары один за другим, можно инициировать в пружине уже упомянутую выше продольную волну.

Она представляет собой чередующуюся последовательность из зон «сжатия» и «растяжения» витков. Любой активированный участок пружинной конструкции будет колебаться около своего равновесного состояния по линии, совпадающей с направлением импульсного воздействия.

В качестве примера поперечной волны, как правило, рассматриваются уже упоминавшиеся ранее колебания участков водной поверхности. Они образуются вследствие падения на нее тяжелого предмета, способного создать начальный энергетический импульс.

Какими параметрами характеризуются волны в физике

Основное свойство этого явлений – передача энергии импульса с сохранением микрочастицами вещества своего исходного положения. Именно поэтому волны в физике характеризуются динамическими показателями, основные из которых это:
- Длина волны или период колебаний (T).
- Скорость передачи энергии (частота отклонений).
- Амплитуда колебаний, определяемая величиной начального импульса.
Первый из этих показателей определяется как расстояние между ближайшими точками, колеблющимися синфазно. В физических формулах оно обозначается греческой буквой «(λ) лямбда» и измеряется в метрах.

Волны в физике определяются как колебания, «распространяющиеся» в пространстве не мгновенно, а с некоторой характерной для них скоростью. Этот показатель находится простым умножением длительности периода («пройденного» волной расстояния) на время, за которое оно было преодолено.

Математические формулы для нахождения скорости движущегося автомобиля и кажущегося «распространения» колебаний практически полностью совпадают. Только в расчетах, касающихся волнового процесса, вместо расстояния «L» используется длина волны или период колебаний «T».

Свойства гармонических колебательных процессов

Основные свойства, характеризующие волны в физике, представлены таким известными явлениями как преломление, отражение, дифракция и интерференция. Первые два эффекта возникают в ситуациях, когда на «пути» колебательного процесса встречается среда с несхожими физическими свойствами. В указанной ситуации волна может отразиться от преграды с сохранением своих параметров. Но это происходит лишь в случаях, когда характеристики другого вещества (его плотность, в частности) не позволяют ей передавать энергию далее.

Кроме того, волна может «преломиться» на границе двух сред, если для этого имеются соответствующие условия. Такое возможно в ситуации, когда физические свойства нового вещества позволяют колебательному процессу передавать энергию дальше. При этом параметры колебаний заметно изменяются (их длительность, в частности), что в прозрачных средах воспринимается визуально как «преломление» волн.

В качестве примера этих явлений рассматривается случай падения солнечного луча, представляющего собой волновой процесс, на водную гладь. При его наблюдении обнаруживается, что какая-то часть энергии волны отражается от поверхности, а другая – поглощается с хорошо различимым визуальным «преломлением».

Именно из-за этого эффекта весло, находящееся в воде, будет казаться «сломанным» на границе раздела двух сред. Схожее явление наблюдается и с трубочкой, помещенной в стакан с жидкостью.

Дифракция возникает в тех случаях, когда на пути распространения колебаний появляется препятствие, размеры которого сравнимы с длиной волны. Из-за особенностей передачи энергии колеблющимися частицами после прохождения такой преграды она не будет распространяться по прямой линии, как раньше. Волновое колебание способно «огибать» препятствие со всех сторон, создавая новую картину распределения энергии.

Особый интерес представляет ситуация, когда рассматриваются сразу два волновых процесса. Данный случай важен тем, что по пути распространения они могут пересекаться и взаимодействовать между собой. В результате этого возникает интересное явление, названное «суперпозицией». Следствие такого наложения, которому присвоено название «интерференция» – увеличение или уменьшение амплитуды когерентных (синфазных) колебаний.

Суперпозиция двух или нескольких волн приводит к тому, что результирующее колебание теряет свой привычный вид. В определенных ситуациях его энергия не будет передаваться соседним зонам, а сконцентрируется в ограниченном пространстве. Подобная разновидность колебательных процессов называется «стоячей» волной. Характерный пример явлений этого типа – звучание музыкальных инструментов, в резонаторах которых образуются «сложные» колебания за счет эффекта суперпозиции.

Разновидности волн в физике

В зависимости от особенностей среды, в которой распространяются волновые колебания, они подразделяются на механические и электромагнитные подвиды. Для первой разновидности требуется материальная основа, в которой энергия передается от одних колеблющихся точек другим.

Инициировать волновое колебание в абсолютном вакууме еще никому не удавалось, поскольку это в принципе невозможно. При формировании механических волн используется эффект взаимодействия связанных между собой частиц вещества, которые в вакууме полностью отсутствуют. Типичный пример механической волны в физике – звуковые колебания, окружающие нас в повседневной жизни. К этой категории волновых процессов относятся все издаваемые в природе звуки, распространяющиеся в какой-либо материальной среде.

Электромагнитные волны

Характерная особенность волновых колебаний этого типа состоит в том, что они не нуждаются в материальной основе для своего формирования. При этом возникает вопрос о носителе, благодаря которому существуют и распространяются электромагнитные волны. Для ответа на него вспомним о том, что помимо известных агрегатных состояний вещества в физике имеется еще одна форма существования материи, называемая «полем».

За счет этой нематериальной структуры также возможна передача энергии от одних участков электромагнитных колебаний другим. Простейшие примеры таких полевых структур – это свет, исходящий от Солнца и радиоволны. С их помощью мы можем видеть окружающие нас предметы, а также пользоваться телефоном и Интернетом.

Похожие темы:
- Магнетизм. Свойства и проявления. Особенности
- Электромагнитное излучение. Виды и применение. Влияние
- Инфразвук. Работа и применение. Особенности и влияние
- Ультразвук. Применение и работа. Свойства и развитие. Особенности
- Инфракрасное излучение. Физическая суть и виды. Применение
- Радиоволны. Виды и применение. Свойства и особенности
- Рентгеновское излучение. Виды и применение. Особенности
- Гамма излучение. Открытие и применение. Особенности
- Лазер. Виды и устройство. Свойства и применение. Особенности
- Защита от электромагнитного излучения. ЭМИ и особенности
Похожие публикации: