Волновые явления. Распространение механических волн

Волновые явления. Распространение механических волн

Приятную картину можно наблюдать в детстве: тихая гладь поверхности воды на реке. И стоит только бросить небольшой камешек - эта картина сразу меняется. Вокруг места, где камень ударился о воду, кругами разбегаются волны. Все читали рассказы о морских путешествиях, о чудовищной силе морских волн, легко раскачивающих большие корабли. Однако при наблюдении этих явлений не всем известно, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами в том воздухе, которым мы дышим, что свет, с помощью которого мы зрительно воспринимаем окружающее, тоже представляет собой волновое движение. Волны на поверхности воды, свет и звуковые волны можно объединить вместе.

Это все примеры волнового движения.  Но волны имеют различную природу появления. Что представляет собой волна, с точки зрения физики? Волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. 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, как говорилось ранее, 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.
Нетрудно также 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. Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит назад. В этом опыте при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия. Обратим внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура колебания совершаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными.
При этом в таких волнах возникает упругая деформация, называемая деформацией сдвига. Отдельные слои вещества сдвигаются относительно друг друга. При деформации сдвига в твердом теле возникают силы упругости, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Именно силы упругости и вызывают колебания частиц среды. Но колебания частиц среды могут происходить и вдоль направления распространения волны. Такая волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины, 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.
В продольной волне происходит деформация сжатия. Силы упругости, связанные с этой деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.
Примерами продольных волн могут служить акустические волны, т.е. те, которые воспринимает ухо человека. При распространении механической волны движение передается от одних частиц среды к другим. С передачей движения связана передача энергии. Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение, например шнура, передается энергия. Эта энергия слагается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии их упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний частиц при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.
Как же идет распространение механических волн? Проследим за движением отдельных частиц вещества при волновом движении. Сначала рассмотрим поперечную волну, которая распространяется, например, вдоль резинового шнура. Каждый участок шнура обладает массой и упругостью. При деформации шнура в любом его сечении появляются силы упругости. Эти силы стремятся возвратить шнур в исходное положение.

Благодаря инертности участок колеблющегося шнура не останавливается в положении равновесия, а проходит его, продолжая двигаться до тех пор, пока силы упругости не остановят этот участок в момент максимального отклонения от положения равновесия. Вместо шнура возьмем цепочку одинаковых металлических шаров, подвешенных на нитях. Шары связаны между собой пружинками (рис.). Масса пружинок много меньше массы шаров. В этой модели инертные (масса) и упругие свойства разделены: масса сосредоточена в основном в шарах, а упругость — в пружинках. Это разделение несущественно при рассмотрении волнового движения. Если отклонить левый крайний шар в горизонтальной плоскости перпендикулярно цепочке шаров, то пружина деформируется и на 2-й шар начнет действовать сила, заставляя его отклоняться в ту же сторону, что и 1-й шар. Вследствие инертности движение 2-го шара не будет происходить согласованно с 1-м. Его движение, повторяющее движение 1-го шара, будет запаздывать по времени. Если 1-й шар заставить колебаться с периодом Т (просто рукой или с помощью какого-либо механизма), то 2-й шар тоже придет в колебательное движение вслед за 1 -м, но с некоторым отставанием по фазе. Третий шар под влиянием силы упругости, вызванной движением 2-го шара, тоже начнет колебаться, еще более отставая по фазе, и т. д. Наконец, все шары станут совершать вынужденные колебания с одной и той же частотой, но с различными фазами. При этом вдоль цепочки шаров побежит поперечная волна. На рисунке а, б, в, г, д, е изображен процесс распространения волны. Показаны положения шаров в последовательные моменты времени, отстоящие друг от друга на четверть периода колебаний (вид сверху). Стрелки у шаров — это векторы скоростей их движения в соответствующие моменты времени. На модели упругого тела в виде цепочки массивных шаров, связанных пружинками (рис. а), можно наблюдать процесс распространения продольных волн. Шары подвешены так, чтобы они могли колебаться только вдоль цепочки. Если 1-й шар привести в колебательное движение с периодом Т, то вдоль цепочки побежит продольная волна, состоящая из чередующихся уплотнений и разрежений шаров (рис. б). Этот рисунок соответствует рисунку е для случая распространения поперечной волны.