Які бувають види хвиль у фізиці?

Якщо в якомусь місці твердого, рідкого або газоподібного середовища збуджені коливання частинок, то внаслідок взаємодії атомів і молекул середовища коливання починають передаватися від однієї точки до іншої з кінцевою швидкістю. Процес поширення коливань у середовищі називається хвилею.

Механічні хвилі бувають різних видів. Якщо хвилі частки середовища відчувають зміщення у напрямі, перпендикулярному напрямку поширення, то хвиля називається поперечної . Прикладом такого роду хвилі можуть служити хвилі, що біжать по натягнутому гумовому джгуту (рис. 2.6.1) або по струні.

Якщо усунення частинок середовища відбувається у напрямі поширення хвилі, то хвиля називається поздовжньою . Хвилі в пружному стрижні (рис. 2.6.2) або звукові хвилі в газі є прикладами таких хвиль.

Хвилі на поверхні рідини мають як поперечну, так і поздовжню компоненти.

Як у поперечних, і у поздовжніх хвилях перенесення речовини у напрямі поширення хвилі немає. У процесі поширення частки середовища лише роблять коливання біля положень рівноваги. Однак хвилі переносять енергію коливань від однієї точки середовища до іншої.

Характерною особливістю механічних хвиль є те, що вони поширюються у матеріальних середовищах (твердих, рідких чи газоподібних). Існують хвилі, які здатні поширюватись і в порожнечі (наприклад, світлові хвилі). Для механічних хвиль обов'язково потрібне середовище, що має здатність запасати кінетичну та потенційну енергію.Отже, середовище повинно мати інертні та пружні властивості. У реальних середовищах ці властивості розподілені у всьому обсязі. Так, наприклад, будь-який малий елемент твердого тіла має масу та пружність. У найпростішій одновимірній моделі тверде тіло можна як сукупність кульок і пружинок (рис. 2.6.3).

У цій моделі інертні та пружні властивості розділені. Кульки мають масу, а пружинки – жорсткість. За допомогою такої простої моделі можна описати поширення поздовжніх та поперечних хвиль у твердому тілі. У поздовжніх хвилях кульки зазнають усунення вздовж ланцюжка, а пружинки розтягуються або стискаються. Така деформація називається деформацією розтягування чи стискування (див. §1.12). У рідинах чи газах деформація такого роду супроводжується ущільненням чи розрідженням.

Поздовжні механічні хвилі можуть поширюватися в будь-яких середовищах – твердих, рідких та газоподібних.

Якщо в одновимірній моделі твердого тіла одну або кілька кульок змістити в напрямку, перпендикулярному ланцюжку, виникне деформація зсуву . Деформовані при такому зміщенні пружини прагнутимуть повернути зміщені частинки положення рівноваги. При цьому на найближчі незміщені частинки діятимуть пружні сили, які прагнуть відхилити їх від рівноваги. В результаті вздовж ланцюжка побіжить поперечна хвиля.

У рідинах та газах пружна деформація зсуву не виникає. Якщо один шар рідини або газу помістити на деяку відстань щодо сусіднього шару, то жодних дотичних сил на межі між шарами не з'явиться.Сили, що діють на межі рідини та твердого тіла, а також сили між сусідніми шарами рідини завжди спрямовані нормалі до кордону – це сили тиску. Те саме стосується газоподібного середовища. Отже, поперечні хвилі не можуть існувати в рідкому або газоподібному середовищах.

Значний інтерес для практики представляють прості гармонійні або синусоїдальні хвилі. Вони характеризуються амплітудою коливання частинок, частотою та довжиною хвилі. Синусоїдальні хвилі поширюються в однорідних середовищах з деякою постійною швидкістю.

Зміщення частинок середовища з положення рівноваги в синусоїдальній хвилі залежить від координати на осі, вздовж якої поширюється хвиля, і від часу за законом:

На рис. 2.6.4 зображено «моментальні фотографії» поперечної хвилі в два моменти часу: і . За час хвиля перемістилася вздовж осі на відстань. Такі хвилі прийнято називати біжучими (на відміну стоячих хвиль, див. далі).

Довжиною хвилі називають відстань між двома сусідніми точками на осі, що коливаються в однакових фазах. Відстань, рівну довжині хвилі , хвиля пробігає у період , отже, , де – швидкість поширення хвилі.

Для будь-якої обраної точки на графіку хвильового процесу (наприклад, для точки на рис. 2.6.4) з часом змінюється координата цієї точки, а значення виразу не змінюється. Через проміжок часу точка переміститься по осі на деяку відстань. Отже:

Таким чином, синусоїдальна хвиля, що біжить, має подвійну періодичність - у часі і просторі.Тимчасовий період дорівнює періоду коливань частинок середовища, просторовий період дорівнює довжині хвилі. Хвильове число є просторовим аналогом кругової частоти

Звернімо увагу на те, що рівняння

описує синусоїдальну хвилю, що поширюється в напрямку, протилежному напрямку осі зі швидкістю

У синусоїдальній хвилі, що біжить, кожна частка середовища здійснює гармонічні коливання з деякою частотою. Тому, як і у разі простого коливального процесу, середня потенційна енергія, запасена в деякому обсязі середовища, дорівнює середньої кінетичної енергії в тому ж обсязі та пропорційна квадрату амплітуди коливань.

Звідси випливає, що при поширенні хвилі, що біжить, виникає потік енергії, пропорційний швидкості хвилі і квадрату її амплітуди.

Хвилі, що біжать, поширюються в середовищах з певними швидкостями, що залежать від типу хвилі, а також від інертних і пружних властивостей середовища.

Швидкість поперечних хвиль у натягнутій струні або гумовому джгуті залежить від погонної маси (тобто маси одиниці довжини) і сили натягу:

Швидкість поширення поздовжніх хвиль у безмежному середовищі визначається щільністю середовища (тобто масою одиниці об'єму) і модулем всебічного стиснення , який дорівнює коефіцієнту пропорційності між зміною тиску і відносною зміною об'єму взятому зі зворотним знаком:

Вираз для швидкості поширення поздовжніх хвиль у безмежних середовищах має вигляд

Наприклад, при температурі швидкість поширення поздовжніх хвиль у воді, у різних сортах сталі.

При поширенні поздовжніх хвиль у пружних стрижнях у формулу швидкості хвиль замість модуля всебічного стиску входить модуль Юнга (див. §1.12):

Для відмінність від невелика, для інших матеріалів воно може становити і навіть більше.

Якщо механічна хвиля, яка поширюється серед, зустрічає своєму шляху якесь перешкода, вона може різко змінити характер своєї поведінки. Наприклад, на межі розділу двох середовищ з різними механічними властивостями хвиля частково відбивається, а частково проникає у друге середовище. Хвиля, що біжить гумовим джгутом або струною відбивається від нерухомо закріпленого кінця; при цьому виникає хвиля, що біжить у зустрічному напрямку. У струні, закріпленої на обох кінцях, виникають складні коливання, які можна розглядати як результат накладання (суперпозиції) двох хвиль, що розповсюджуються в протилежних напрямках і зазнають відображення та переображення на кінцях. Коливання струн, закріплених обох кінцях, створюють звуки всіх струнних музичних інструментів. Дуже схоже явище виникає під час звучання духових інструментів, зокрема органних труб.

Якщо хвилі, що біжать струною у зустрічних напрямках, мають синусоїдальну форму, то за певних умов вони можуть утворити стоячу хвилю .

Нехай струна довжини закріплена так, що один з її кінців знаходиться у точці , а інший – у точці (рис. 2.6.5). У струні створено натяг.

По струні одночасно поширюються у протилежних напрямках дві хвилі однієї й тієї частоти:

• - хвиля, що біжить праворуч наліво;
• - хвиля, що біжить зліва направо.

У точці (один із закріплених кінців струни) падаюча хвиля в результаті відображення породжує хвилю. При відображенні від нерухомо закріпленого кінця відбита хвиля виявляється у протифазі з падаючою.Згідно з принципом суперпозиції, який є експериментальним фактом, коливання, викликані зустрічними хвилями в кожній точці струни, складаються. ₁ і ₂ окремо.

Це і є стояча хвиля . У стоячій хвилі існують нерухомі точки, які називаються вузлами .

Обидва нерухомі кінці струни повинні бути вузлами. Наведена вище формула задовольняє цій умові на лівому кінці (). завжди, а тільки в тому випадку, якщо довжина струни дорівнює цілій кількості довжин напівхвиль:

Набору значень довжин хвиль відповідає набір можливих частот:

де - Швидкість поширення поперечних хвиль по струні Кожна з частот і пов'язаний з нею тип коливання струни називається нормальною модою .

У стоячій хвилі немає потоку енергії. Коливальна енергія, укладена у відрізку струни між двома сусідніми вузлами, не транспортується в інші частини струни. Але на відміну від вантажу на пружині або маятника, які мають єдину власна частота струна має нескінченне число власних (резонансних) частот .2.6.6 зображено кілька типів стоячих хвиль у струні, що закріплена на обох кінцях.

Відповідно до принципу суперпозиції стоячі хвилі різних типів (тобто з різними значеннями) можуть одночасно бути присутніми в коливаннях струни.

Хвилі: види хвиль та визначення хвилі. Види електромагнітних та звукових хвиль

Хвилі бувають не лише у воді. У тому числі складаються звук, світло тощо. буд. Як таке може бути і що таке хвилі?

Сутність

Цей термін використовується у різних наукових галузях, але насамперед у фізиці. Відповідно до термінології даної дисципліни процес поширення коливань – це хвиля. Визначення нескладне, але насправді все не так просто. У цьому окремі частки не рухаються, лише переміщаються поблизу своїх положень рівноваги. З чого випливає така властивість хвиль: вони є засобом перенесення енергії без змін у матерії. Іноді відбувається і це, але лише як побічне явище. Ті, хто хоч раз був на морі, чудово уявляють, що таке хвиля.

Визначення, втім, - це єдине, що треба знати, зіштовхуючись із цим явищем. Важливо те, що воно вкрай тісно взаємопов'язане з коливаннями, тому вивчення відбувається спільно як у теорії, і практично.

Походження

Хвилі можуть генеруватися у різний спосіб. Причиною їх виникнення завжди є збудження частинок та виведення їх із рівноваги. Це може бути зроблено за допомогою спеціальних пристроїв, таких як антени чи випромінювачі. Крім того, причиною може бути виникнення нестійкостей, як у випадку із сильним вітром, через який по воді біжить бриж.

Історія дослідження явища

Вивченням механізму виникнення та поширення хвиль у різних наукових дисциплінах, таких як океанологія, сейсмологія, механіка, акустика, медицина і, зрозуміло, фізика в цілому, а також багато інших, займалися багато відомих вчених. Вважається, що найбільш вагомий внесок зробив німецький дослідник Генріх Герц. Він встановив деякі закономірності та відкрив невідомі до цього явища, пов'язані із взаємодією електромагнітних хвиль, наприклад, інтерференцію, дифракцію та поляризацію. Його дослідження надалі були використані для створення радіозв'язку. Зрозуміло, були й інші вчені, які вивчали це явище і внесли у розвиток науки вагомий внесок, наприклад, Максвелл, але саме ім'я Герца було увічнено в одиниці виміру частоти хвилі.

Види хвиль

Існує безліч класифікацій за різними ознаками. Насамперед, це напрям коливань хвилі. Види хвиль за цим критерієм: поздовжні, поперечні, змішані. Існують і інші способи їх угруповання: опис рівняннями, геометрія, фізичне середовище тощо. буд.

Важливо, що з виникненні цього явища нічого важливо нового у речовині не утворюється, змінюється лише організація частинок, як і породжує ті чи інші події. З погляду сприйняття це може бути як світло, колір, звук, радіація, і навіть невидима оку енергія тощо. буд. У свою чергу вони також можуть бути класифіковані.

Крім того, ще розрізняють механічні та електромагнітні хвилі. Види хвиль з першої категорії також можуть поділятися на пружні та ті, що виникають на поверхні води. Ця класифікація передбачає розгляд середовища поширення.В цілому ж основний і найпопулярніший поділ включає тільки звукові і електромагнітні хвилі. Про них надалі і йтиметься докладніше.

Загальний опис

Будь-яка хвиля має низку властивостей і параметрів, за допомогою яких її можна описати. По-перше, це її довжина, яка позначається як λ (лямбда). Крім того, вона має частоту, період і швидкість. Окремо виділяють хвильовий фронт або поверхню, тобто безліч точок, що знаходяться в однаковій фазі, і промінь або вектор, що показує напрямок поширення.

З останніми двома параметрами пов'язана ще одна класифікація. Залежно від виду фронту хвилі можуть бути сферичними та плоскими. Для спрощених розрахунків і вирішення деяких завдань поверхня може вважатися плоскою, але лише за умови значного видалення джерела. З усіх цих показників, і виділяють різні види хвиль.

Приклади

Крім найзрозуміліших речей, на кшталт звучання струни або хвиль на морі, можна подумати також про круги на воді, що з'являються від кинутого каменю, вибухи, сон на м'якому матраці та багатьох інших явищах. Ультрафіолетові або інфрачервоні промені, а також те, що не чути людського вуха - все це прояви того самого явища, поширення хвилі. Види хвиль настільки різноманітні, а самі вони настільки багатоликі, що справді складно повірити в те, що такі різні речі, по суті, мають одну природу.

Звукові хвилі: особливості

Чутка дає людині величезну кількість інформації про навколишній світ. Але без хвиль це було б неможливо. Звуковий їх різновид відноситься до пружних. Їх особливість полягає в тому, що довжина таких хвиль і відповідно частота такі, що висота знаходиться в межах чутності.Для людини цей діапазон складає від 20 до 20000 герц. Показники визначаються такими параметрами, як довжина, частота і поєднання різних видів коливань. тембр.

Як і будь-яка інша хвиля, звук за своєю природою викликаний коливаннями. Це можна відчути, наприклад, стоячи на концерті поряд з колонкою. чути. Саме тому так часто бувають закиди у бік голлівудських режисерів, які знімають сцени з масштабними та гучними вибухами в безповітряному просторі. Вивченням звукових коливань і хвиль займається досить широкий розділ фізики - акустика. .

Сприйняття звуків людиною і тваринами відбувається за рахунок перетворення механічних коливань на електричні сигнали. Але його значення не можна переоцінити. Саме тому існує, наприклад, поняття "шумове забруднення". одиницю гучності звуку прийнято білий, названий так на честь вченого А. Белла, винахідника телефону.

Властивості та види електромагнітних хвиль

Але є й особливий тип коливань, без яких важко уявити сучасне життя. Мобільні телефони, бездротовий зв'язок, радіо, НВЧ-печі та багато інших приладів не існували б, якби не було відкрито електромагнітних хвиль. А ще було б неможливо сприймати колір, та й світла не було б. Хіба це можна собі уявити?

На відміну від звуків цей різновид коливань може поширюватися в будь-яких середовищах, у тому числі і у вакуумі, причому їхня швидкість дорівнює швидкості світла. По суті, цей тип хвиль є поширенням електромагнітних полів у просторі та часі. Їхня структура вкрай цікава, оскільки вона складається з двох частин. Магнітне та електричне поля поперемінно породжують одне одного та поширюються по взаємно перпендикулярним векторам. Одна з основних властивостей такої хвилі – вона завжди поперечна. Крім того, вона завжди поширюється із прискоренням.

Розрізняють різні види електромагнітних хвиль залежно від їхньої довжини. Існує 6 основних діапазонів від найдовших до найкоротших:

• радіохвилі;
• інфрачервоне випромінювання, інакше кажучи, тепло;
• видиме світло та кольори;
• ультрафіолет;
• рентген;
• гамма-випромінювання (зокрема радіація).

Адже насправді практично неможливо уявити світ без усіх цих явищ.