Хвильові явища - Механічні хвилі
Кожен з нас спостерігав, як від каменя, кинутого на спокійну поверхню ставка чи озера, колами розбігаються хвилі (рис. 6.1). Багато стежили за морськими хвилями, що набігають на берег. Всі читали розповіді про морські подорожі, про жахливу силу морських хвиль, легко розгойдують великі кораблі. Однак при наб.тюденіі цих явищ не всім відомо, що звук сплеску води доноситься до нашого вуха хвилями в тому повітрі, яким ми дихаємо, що світло, за допомогою якого ми візуально сприймаємо навколишній, теж є хвильовий рух.
Хвильові процеси надзвичайно широко поширені в природі . Різні фізичні причини, що викликають хвильові руху. Але, подібно до коливань, всі види хвиль описуються кількісно однаковими або майже однаковими законами. Багато важкі для розуміння питання стають яснішими, якщо порівнювати різні хвильові явища.
Що ж називають хвилею? Чому виникають хвилі? Окремі частки будь-якого тіла -твердих, рідкого або газоподібного - взаємодіють один з одним. Тому якщо якась частка тіла починає робити коливальні рухи, то в результаті взаємодії між частинками це рух починає з деякою швидкістю поширюватися на всі боки.
Хвиля - це коливання, що поширюються в просторі з плином часу.
В повітрі, твердих тілах і всередині рідин механічні хвилі виникають завдяки дії сил пружності. Ці сили здійснюють зв'язок між окремими частинами тіла. Освіта хвиль на поверхні води викликають сила тяжіння і сила поверхневого натягу.
Найвиразніше головні особливості хвильового руху можна побачити, якщо розглядати хвилі на поверхні води. Це можуть бути, наприклад, хвилі, які являють собою біжать вперед округлі вали. Відстані між валами, або гребенями, приблизно однакові. Однак якщо на поверхні води, по якій біжить хвиля, знаходиться легкий предмет, наприклад лист з дерева, то він не буде захоплюватися вперед хвилею, а почне соверпгать коливання вгору і вниз, залишаючись майже на одному місці.
При порушенні хвилі відбувається процес поширення коливань, але не перенесення речовини. Виниклі в якомусь місці коливання води, наприклад від кинутого каменя, передаються сусіднім ділянкам і поступово поширюються в усі сторони, залучаючи в коливальні рухи все нові і нові частинки середовища. Протягом же води не виникає, переміщаються лише локальні форми її поверхні.
Швидкість хвилі. Найважливішою характеристикою хвилі є швидкість її поширення. Хвилі будь-якої природи не поширюються в просторі миттєво. Їх швидкість кінцева. Можна собі, наприклад, уявити, що над морем летить чайка, причому так, що вона весь час виявляється над одним і тим же гребенем хвилі. швидкість хвилі в цьому випадку дорівнює швидкості чайки. Хвилі на поверхні води зручні для спостереження, так як швидкість їх поширення порівняно невелика.
Поперечні і поздовжні хвилі. Неважко також спостерігати хвилі, що поширюються уздовж гумового шнура. Якщо один кінець шнура закріпити і, злегка натягнувши шнур рукою, навести інший його кінець в коливальний рух, то по шнуру побіжить хвиля (рис. 6.2).
Швидкість хвилі буде тим більше, чим сильніше натягнутий шнур. Хвиля добіжить до точки закріплення шнура, відіб'ється і побіжить назад. У цьому досвіді при поширенні хвилі відбуваються зміни форми шнура. Кожна ділянка шнура коливається щодо свого незмінного положення рівноваги.
Звернемо увагу на те, що при поширенні хвилі вздовж шнура коливання відбуваються в напрямку, перпендикулярному напрямку поширення хвилі. Такі хвилі називаються поперечними (рис. 6.3). У поперечної хвилі зсуву окремих ділянок середовища відбуваються в напрямку, перпендикулярному напрямку поширення хвилі. При цьому виникає пружна деформація , Звана деформацією зсуву. Окремі шари речовини зсуваються відносно один одного. При деформації зсуву в твердому тілі виникають сили пружності, які прагнуть повернути тіло в початковий стан. Саме сили пружності і викликають коливання частинок середовища1.
Зрушення шарів відносно один одного в газах і рідинах не приводить до появи сил пружності. Тому в газах і рідинах не можуть існувати поперечні хвилі. Поперечні хвилі виникають в твердих тілах.
Але коливання частинок середовища можуть відбуватися і вздовж напрямку поширення хвилі (рис. 6.4). Така хвиля називається поздовжньою. Подовжню хвилю зручно спостерігати на довгій м'якої пружині великого діаметру. Вдаривши долонею по одному з кінців пружини (рис. 6.5, а), можна помітити, як стиск (пружний імпульс) біжить по пружині. За допомогою серії послідовних ударів можна порушити в пружині хвилю, що представляє собою послідовні стиснення і розтягування пружини, що біжать один за одним (рис. 6.5, б).
Отже, в поздовжньої хвилі відбувається деформація стиснення. Сили пружності, пов'язані з цією деформацією, виникають як в твердих тілах, так і в рідинах і газах.
1Когда ми говоримо про коливання частинок середовища, то маємо на увазі коливання малих обсягів середовища, а не коливання молекул.
Ці сили викликають коливання окремих ділянок середовища. Тому поздовжні хвилі можуть поширюватися в усіх пружних середовищах. У твердих тілах швидкість поздовжніх хвиль більше швидкості поперечних.
Це враховується при визначенні відстані від вогнища землетрусу до сейсмічної станції. Спочатку на станції реєструється поздовжня хвиля, так як її швидкість в земній корі більше, ніж поперечної. Через деякий час реєструється поперечна хвиля, що збуджується при землетрусі одночасно з поздовжньою. Знаючи швидкості поздовжніх і поперечних хвиль в земній корі і час запізнювання поперечної хвилі, можна визначити відстань до вогнища землетрусу.
Енергія хвилі. При поширенні механічної хвилі рух передається від одних частинок середовища до інших. З передачею руху пов'язана передача енергії . Основна властивість всіх хвиль незалежно від їх природи полягає в перенесенні ними енергії без перенесення вепцества. Енергія надходить від джерела, що збуджує коливання початку шнура, струни і т. Д., І поширюється разом з хвилею. Через будь-який поперечний переріз, наприклад шнура, передається енергія. Ця енергія складається з кінетичної енергії руху частинок середовища і потенційної енергії їх пружної деформації. Поступове зменшення амплітуди коливань частинок при поширенні хвилі пов'язано з перетворенням частини механічної енергії у внутрішню.
Хвиля - це коливання, що поширюються в просторі з плином часу. Швидкість хвилі кінцева. Хвиля переносить енергію, але не переносить речовину середовища.
Що ж називають хвилею?Чому виникають хвилі?