Механическая волна
Опыт показывает, что колебания, возбужденные в какой-либо точке упругой среды с течением времени передаются к её остальным частям. Так от камня, брошенного в спокойную воду озера, кругами расходятся волны, которые со временем достигают берега. Колебания сердца, расположенного внутри грудной клетки, можно ощутить на запястье, что используется для определения пульса. Перечисленные примеры связаны с распространением механических волн.
Механической волной называется процесс распространения колебаний в упругой среде, который сопровождается передачей энергии от одной точки среды к другой.
Заметим, что механические волны не могут распространяться в вакууме.
Источником механической волны является колеблющее тело. Если источник колеблется синусоидально, то и волна в упругой среде будет иметь форму синусоиды. Колебания, вызванные в каком-либо месте упругой среды, распространяются в среде с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды.
Подчеркнем, что при распространении волны отсутствует перенос вещества, т. е. частицы только колеблются вблизи положений равновесия. Среднее смещение частиц относительно положения равновесия за большой промежуток времени равно нулю.
Основные характеристики волны
Рассмотрим основные характеристики волны.
Волновой фронт — это воображаемая поверхность, до которой дошло волновое возмущение в данный момент времени.
Линия, проведенная перпендикулярно волновому фронту в направлении распространения волны, называется лучом.
Луч указывает направление распространения волны.
В зависимости от формы фронта волны различают волны плоские, сферические и др.
В плоской волне волновые поверхности представляют собой плоскости, перпендикулярные к направлению распространения волны. Плоские волны можно получить на поверхности воды в плоской ванночке с помощью колебаний плоского стержня (рис. 1).
Рис. 1.
Увеличить Flash
Рис. 2
В сферической волне волновые поверхности представляют собой концентрические сферы. Сферическую волну может создать пульсирующий в однородной упругой среде шар. Такая волна распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям. Лучами являются радиусы сфер (рис. 2).
Основными характеристиками волны:
амплитуда (A) — модуль максимального смещения точек среды из положений равновесия при колебаниях;
период (T) — время полного колебания (период колебаний точек среды равен периоду колебаний источника волны)
T=tN,
где t — промежуток времени, в течение которого совершаются N колебаний;
частота (ν) — число полных колебаний, совершаемых в данной точке в единицу времени
ν=Nt.
Частота волны определяется частотой колебаний источника;
скорость (υ) — скорость перемещения гребня волны (это не скорость частиц!)
длина волны (λ) — наименьшее расстояние между двумя точками, колебания в которых происходят в одинаковой фазе, т. е. это расстояние, на которое волна распространяется за промежуток времени, равный периоду колебаний источника
λ=υ⋅T.
Для характеристики энергии, переносимой волнами, используется понятие интенсивности волны (I), определяемой как энергия (W), переносимая волной в единицу времени (t = 1 c) через поверхность площадью S = 1 м2, расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны:
I=WS⋅t.
Другими словами, интенсивность представляет собой мощность, переносимую волнами через поверхность единичной площади, перпендикулярно к направлению распространения волны. Единицей интенсивности в СИ является ватт на метр в квадрате (1 Вт/м2).