Волновые явления

Мы начали изучение колебаний с механических колебаний. Мы убедились далее, что в основе звуковых явлений, т. е. явлений, воспринимаемых ухом, тоже лежат механические колебания, отличающиеся от колебаний маятника лишь более высокими частотами. Затем мы рас...

§ 33. Волновые явления

Мы перейдем теперь к изучению распространения колебаний. Если речь идет о механических колебаниях, т. е. о колебательном движении частиц какой-либо твердой, жидкой или газообразной среды, то распространение колебаний означает передачу колебаний от одних ч...

§ 34. Скорость распространения волн

В том, что распространение механических волн происходит не мгновенно, нас убеждают простейшие наблюдения. Каждый видел, как постепенно и равномерно расширяются круги на воде или как бегут морские волны. Здесь мы непосредственно видим, что распространение...

§ 35. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия

Если скорость распространения волн известна, то измерение их запаздывания позволяет решить обратную задачу: найти пройденное ими расстояние. Ничтожные промежутки времени, затрачиваемые электромагнитными волнами на пробег наземных расстояний, теперь уже не...

§ 36. Поперечные волны в шнуре

Мы перейдем теперь к более подробному изучению механических волн. Их свойства зависят от многих обстоятельств: от вида связи между смежными участками среды, от размеров среды (например, в теле ограниченных размеров картина распространения будет иная, чем...

§ 37. Продольные волны в столбе воздуха

Мы познакомимся теперь с другим видом волн, причем опять возьмем тело удлиненной формы, а именно столб воздуха, заключенный в трубе. Вдоль трубы может двигаться поршень. Заставим этот поршень совершать гармоническое колебание. Что будет происходить в стол...

§ 38. Волны на поверхности жидкости

Мы уже упоминали о волнах, образование которых обусловлено не силой упругости, а силой тяжести. Именно поэтому нас не должно удивлять, что волны, распространяющиеся по поверхности жидкости, не являются продольными. Однако они не являются и поперечными: дв...

§ 39. Перенос энергии волнами

Распространение механической волны, представляющее собой последовательную передачу движения от одного участка среды к другому, означает тем самым передачу энергии. Эту энергию доставляет источник волны, когда он приводит в движение непосредственно прилега...

§ 40. Отражение волн

Поставим на пути волн в водяной ванне плоскую пластинку, длина которой велика по сравнению с длиной волны. Мы увидим следующее. Позади пластинки получается область, в которой поверхность воды остается почти в покое (рис. 83). Другими словами, пластинка с...

Волна – колебания, которые распространяются в пространстве с течением времени. Волны возникают в основном благодаря силам упругости.

Свойства волновых явлений

Основным свойством волн является то, что идет распространение волны без переноса вещества. Например, если на поверхности воды будет лежать небольшой листик с дерева. Бросим в воду камень. От камня во все стороны начнут распространяться волны.

При этом дойдя до листика, они не будут заставлять его двигаться в сторону волны. Листик так и останется на месте, но при этом будет совершать колебательные движения вверх и вниз. То есть будет меняться только форма воды, а течения не возникнет.

Одной из самых важных характеристик воды является скорость её распространения . Скорость распространения любой волны всегда конечна. Скорость волн на поверхности воды сравнительно невелика, поэтому их очень легко наблюдать.

Распространение волн

Еще одним примером невысокой скорости распространения волны являются волны, возникающие в резиновом шнуре. Например, если закрепить один его конец, а другой натянуть и дернуть. По шнуру побежит волна. Чем сильнее мы натянем шнур, тем сильнее будет волна. Дойдя до закрепленного конца, она отразится и побежит обратно.

Следует отметить, что в этом опыте при распространении волны вдоль шнура, каждая точка шнура совершает колебания в направлении перпендикулярном к направлению распространению волны. Такие волны называются поперечными волнами.

На следующем рисунке представлено схематично поперечная волна. Для нее указано направление распространения и направление колебаний вещества.

картинка

Но частицы среды могут совершать колебания и вдоль направления распространения волны. Такие волны называются продольными . На следующем рисунке представлено схематично продольная волна. Для нее указано направление распространения и направление колебаний вещества.

картинка

В поперченных волнах происходит деформация сдвига, а в продольных деформация сжатия. Деформация сдвига – слои вещества сдвигаются относительно друг друга. Деформация сжатия – части вещества сжимаются друг к другу.

Стоит отметить, что поперечные волны могут распространяться только в твердых телах. Так как при сдвиге слоев жидкости не возникает сил упругости, которые будут стремиться вернуть жидкость в исходное положение. Продольные волны могут распространяться как и в жидких веществах и газах, так и в твердых телах. Так как деформация сжатия присуща всем этим состояниям тел.

Когда происходит распространение волны, то движение передается от одних частиц к другим. Основным свойством всех волн является перенос энергии без переноса вещества.

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и могут быть объяснены только на основе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинейны. Однако, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в основе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.

Интерференция волн – явление перераспределения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. Если волны встречаются «в фазе», т.е. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются «в противофазе», т.е. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. Поэтому для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счет отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (λ =const ) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 г.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелей встречаются «в фазе», т. е. их разность фаз

, m =0,1,2,…, (3.10)

Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн λ

, m =0,1,2,…, (3.11)

Темные полосы (взаимные погашения), т.е. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются «в противофазе», т. е. их разность фаз составляет

, m =0,1,2,…, (3.12)

Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн

, m =0,1,2,…. (3.13)

Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света, включающего все волны видимого света в диапазоне длин волн мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10 -6 м), поэтому данное явление лежит в основе различных прецизионных («сверхточных») методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определения плотностей, показателей преломления веществ, толщины тонких покрытий.

Дифракция – совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км. Для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10 -10 м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (например, звезды в телескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. Поэтому размер объекта, наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны (приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в основе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 – 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объемное изображение.

Поляризация – явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического () и индукции магнитного () полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля, который называют световым вектором.

Световые волны, испущенные естественным источником излучения т.е. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора () в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.

Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, называется линейно поляризованным. Поляризация – упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света, а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.

Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.

Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). При распространении электромагнитных волн в среде возникает -

Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. Например, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые может быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света в зависимости от частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр. Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломленияувеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света (=0,38 мкм), наименьший у красного (=0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.

Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. Если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волнстановится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 – 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении – уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны λ при сближении источника и наблюдателя и увеличению λ при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и «красное смещение», что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; «красное смещение» наблюдается и в излучениях любых других частот, например в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, называется синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два «красных смещения» - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют «красное смещение», наблюдаемое для всех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. «Красное смещение» для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в этом случае записывается в форме

u = Hr ; (3.14)

(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величине «красного смещения» скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определение «возраста» Вселенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 – 5)*10 -18 с -1 , обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное «красное смещение» является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление называется также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (например, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться «красное смещение» обоих типов.

Физическая природа волнМеханические
Упругие
На поверхности
жидкости
Электромагнитные
световые
рентген
Звуковые
радиоволны
сейсмические

Механическая волна – колебание частиц вещества распространяющееся в пространстве.

Точки среды, в которой распространяются волны, колеблющиеся в одной фазе, называются волновыми поверхностями.

Для возникновения механической волны необходимо два условия:

Наличие среды.
Наличие источника колебаний.

Сопоставляя направление распространения волн и направление колебаний точек среды, можно выделить волны продольные и волны поперечные.

Волны, в которых направление колебаний точек возбужденной среды параллельно направлению распространения волн, называются продольными.

Волны, в которых направление колебаний точек возбужденной среды перпендикулярно направлению распространения волн, называются поперечным

Волны, в которых направление
колебаний точек возбужденной среды
перпендикулярно направлению
распространения волн, называются
поперечными.

Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Таким образом, волна на поверхности жидкости представляет собой

Волны на
поверхности
жидкости не
являются ни
продольными, ни
поперечными. Таким
образом, волна на
поверхности
жидкости
представляет собой
суперпозицию
продольного и
поперечного
движения молекул.

Круговые волны на поверхности жидкости

Наблюдение волн на поверхности жидкости
позволяет изучить и визуально представить многие
волновые явления, общие для разных типов волн:
интерференцию, дифракцию, отражение волн и т.д.

Свойства механических волн

Все волны доходя до границы раздела
двух сред испытывают отражение

Если волна переходит из одной среды в другую, падая на границу раздела двух сред под некоторым углом, отличным от нуля, то она испытывает пр

Если волна переходит из одной среды в
другую, падая на границу раздела двух сред
под некоторым углом, отличным от нуля,
то она испытывает преломление

Волна может огибать препятствия, размеры которых соизмеримы с ее длиной. Явление огибания волнами препятствий называется дифракцией

Источники волн, колеблющиеся с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз называются когерентными. Как и любые волны, образованные ко

Источники волн, колеблющиеся с одинаковой
частотой и постоянной разностью фаз
называются когерентными.
Как и любые волны, образованные когерентными
источниками, могут накладываться друг на друга, и
в результате наложения наблюдается
интерференция волн.

Звук – это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемы ухом человека и животных. Механические волн

Звук – это упругие волны,
распространяющиеся в газах, жидкостях,
твердых телах и воспринимаемы ухом
человека и животных.
Механические волны, которые вызывают
ощущение звука, называют звуковыми
волнами.

Звуковые волны
представляют собой
продольные волны, в
которых происходит
чередование сгущений и
разряжений.

Чтобы услышать звук, необходимы:

источник звука;
упругая среда между ним и ухом
определенный диапазон частот колебаний
источника звука – между 16 Гц и 20000 Гц;
достаточная для восприятия ухом
мощность звуковых волн.

Механические волны, возникающие в упругих средах, в которых частицы среды колеблются с частотами меньшими, чем частоты звукового диапазон

Механические волны, возникающие
в упругих средах, в которых
частицы среды колеблются с
частотами меньшими, чем частоты
звукового диапазона, называются
инфразвуковыми волнами.

Механические волны, возникающие в упругих средах, в которых частицы среды колеблются с частотами, большими, чем частоты звукового диапазон

Механические волны,
возникающие в
упругих средах, в
которых частицы
среды колеблются с
частотами, большими,
чем частоты звукового
диапазона, называются
ультразвуковыми
волнами.
Что же называется волной? Почему возникают волны?
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, держа-

щей противоположный конец растя- | нутого шнура (рис. 4.2). | Если возмущение среды вызывает- | ся 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 увле- каться 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 греб-нем 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 ТЭ.КЖ6 наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна (рис. 4.4). Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления, отразится и побежит назад. Здесь при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый же участок шнура 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 распростра- 161
6 - 5654
Рис. 4.4
Направление колебаний
распространения волны

Направление
Рис. 4.5 нения 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 (упру-гий 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. 4.7,6). 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 волй 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 Направление
Направление колебаний распространения волны
Рис. 4.7
дшшшшр
б) 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 бе-рега.
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.