Механические волны. Характеристики волны. Плоская волна.
Процесс распространения колебаний в среде называется волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не переносятся волной, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Упругой называют среду, в которой все частицы связаны друг с другом так, что изменение положения одной влечёт за собой изменение положения другой.
Упругими, или механическими, волнами называются механические возмущения (деформации), распространяющиеся в упругой среде. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. Упругая волна называется продольной, если частицы среды колеблются в направлении распространения волны (звуковые волны в воздухе). Упругая волна называется поперечной, если частицы среды колеблются, оставаясь в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Примером поперечных волн могут служить волны, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов. Распространяясь от источника колебаний волновой, процесс охватывает все новые и новые части пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к данному моменту времени, называется фронтом волны. Фронт волны все время перемещается в пространстве, оставаясь перпендикулярным распространению волны. Колебания будут распространяться во всех направлениях с одинаковой скоростью и фронт волны будет иметь форму сферы, такую волну называют сферической. Фронт сферической волны – сфера.
В
олна
называется плоской, если ее волновые
поверхности представляют совокупность
плоскостей, параллельных друг другу.
В
плоской волне, распространяющейся вдоль
оси ОХ, все величины зависят только от
х и t. Расстояние между ближайшими
частицами, колеблющимися в одинаковой
фазе, называется длиной волны l.
. где υ – скорость распространения
волны.
– период, n – частота колебаний.
Звук. Инфразвуковые и ультразвуковые волны.
Понятие звука обычно ассоциируется у нас со слухом и, следовательно, с физиологическими процессами в ушах, а также с процессами в нашем мозгу (там происходит переработка ощущений, поступающих в органы слуха). Кроме того, под звуком мы понимаем физическое явление, вызывающее действие на наши уши, а именно продольные волны. При рассмотрении звука можно выделить три основных аспекта. Во-первых, должен существовать источник звука; во-вторых, энергия переносится от источника звука в виде продольных звуковых волн.
И, в-третьих, звук регистрируется нашим ухом или прибором. Скорость звука в различных веществах имеет разные значения. В воздухе при температуре 0°С и давлении 1 атм звук распространяется со скоростью 331,3 м/с. Скорость звука зависит от модуля упругости и плотности вещества. В жидкостях и твердых телах, которые значительно менее сжимаемы, скорость распространения звука больше, чем в газах. Частоты колебаний звуковых волн лежат в пределах от 16 Гц до 20000 Гц. Если частоты колебаний ниже 16 Гц, то такие волны называют инфразвуком, выше 20000 Гц – ультразвуковые волны. Опыт показывает, что инфразвуковые волны затухают слабо. Поэтому ослабление инфразвуковой волны вызвано только перераспределением энергии по возрастающему фронту волны, если волна близка к сферической. Если же источником является ветровое волнение моря, где длина фронта волны составляет сотни метров, то здесь интенсивность инфразвуковой волны мало меняется с расстоянием. По-видимому, у рыб и морских животных имеется чувствительность к инфразвукам, благодаря чему они чувствуют приближение, шторма. Мощные инфразвуковые волны, возникающие при шторме, практически без затухания распространяются в море на расстояния в сотни и тысячи километров и сигнализируют о его приближении. Ультразвуковые волны отличаются от слышимого звука большой частотой колебаний, поэтому длина волны ультразвука значительно меньше длины волны звука. Интенсивность ультразвуковой волны пропорциональна квадрату амплитуды волны и квадрату частоты колебаний, поэтому ультразвуковые волны имеют большую интенсивность. Высокая частота позволяет получить волны с интенсивностями до 100 Вт/см2=10 кВт/м2. При таких больших интенсивностях ультразвуковая волна влияет на свойства вещества и ход технологических процессов. Также в медицине при помощи ультразвука осуществляют сварку сломанных костей, диагностические исследования и т.д. Биологическое действие ультразвука (приводящее к гибели микробов) позволяет использовать его для стерилизации лекарственных веществ, а также медицинских инструментов.