Механические волны. Волновые явления. Поперечные и продольные волны

Пашикова Т.Д.

Преподователь кафедры общей физики

Туркменский государственный университет им. Махтумкули

(г. Ашхабад, Туркменистан)

Механические волны. Волновые явления.

Поперечные и продольные волны

Существуют два фундаментальных способа передачи энергии и импульса в пространстве:

непосредственное перемещение частиц из одной точки в другую; перенос энергии без переноса вещества в результате последовательной передачи энергии и импульса по цепочке между соседними взаимодействующими друг с другом частицами среды.

Волновой процесс - процесс переноса энергии без переноса вещества.

В результате внешнего воздействия на среду в ней возникает возмущение – отклонение частиц среды от положения равновесия.

Механическаяволна – колебание (возмущение), распространяющееся в упругой среде.Кинематическим признаком волнового движения является распространение фазы колебаний, а динамическим – перенос энергии.

Наличие упругой среды – необходимое условие распространения механических волн. В вакууме механические волны распространяться не могут. Поэтому, каким бы сильным ни был взрыв в космосе, на Земле его не услышат.

При растяжении длинной пружины вдоль,в ней возникает продольная волна.(рис.30.1). В этой же пружине возникает поперечная волна, если свободный конец совершает движение вверх-вниз. (рис.30.2). Отметим, что частицы среды не перемещаются вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия; перемещается только колебательный процесс, фаза колебаний (гребни и впадины пружины – в случае поперечной волны или сгущения и разрежения витков пружины – в случае продольной волны). Продольные волны могут возникать в среде, обладающей упругостью объема, т.е. в твердых, жидких и газообразных телах. Поперечные волны возникают только в среде, обладающей упругостью формы (деформацией сдвига), т.е. только в твердых телах.

Продольная волна - волна, в которой движение частиц среды происходит в направлении распространения волны. Продольные волны могут распространяться в любой среде.

В твердом теле из-за сильной связи частиц между собой (большая потенциальная энергия их взаимодействия) возможно возникновение поперечных волн.

Поперечная механическая волна – волна, в которой частицы среды перемещаются перпендикулярно направлению распространения волны.

Поперечные волны в газах и жидкостях не возникают, так как частицы в них не имеют фиксированного положения. Вследствие отставания колебаний одних частиц среды от других в поперечных волнах возникают гребни и впадины,а в продольных – сгущения и разрежения. Волновой процесс характеризуется фазовой скоростью или скоростью распространения волны , длиной волны , частотой или периодом колебаний. Между этими величинами существует простая связь

30.1,

отсюда

30.2

Скорость перемещения гребня или впадины в поперечной волне (сжатий или разрежений в продольной волне) называют скоростью распространения волны. Скорость продольной волны в твердом теле примерно в 1,4 раза больше скорости поперечных волн в этом же теле. При землетрясениях по разности этих скоростей на сейсмических станциях определяют локализацию эпицентра землетрясения.

Пространственная периодичность волны характеризуется длиной волны.

Длина волны – это расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебания (рис.30.3). Длина волны есть расстояние между частицами, колеблющимися с одинаковой фазой. Длина волны не зависит от координат и времени.

Для упругой поперечной волны в твердых телах

(30.3)

где - сила натяжения твердого тела (струны,проволоки и т.д.), -плотность материала, из которого изготовлено колеблющееся тело, - его поперечное сечение. Для упругой продольной волны в твердом теле скорость

(30.4)

где -модуль Юнга.