Механическая или упругая волна - это процесс распространения колебаний в упругой среде. Например, вокруг колеблющейся струны или диффузора динамика начинает колебаться воздух - струна или динамик стали источниками звуковой волны.
Для возникновения механической волны необходимо выполнение двух условий - наличие источника волны (им может быть любое колеблющееся тело) и упругой среды (газа, жидкости, твердого вещества).
Выясним причину возникновения волны. Почему частицы среды, окружающие любое колеблющееся тело, тоже приходят в колебательное движение?
Простейшей моделью одномерной упругой среды является цепочка шариков, соединенных пружинками. Шарики - модели молекул, соединяющие их пружины моделируют силы взаимодействия между молекулами.
Допустим, первый шарик совершает колебания с частотой ω. Пружина 1-2 деформируется, в ней возникает сила упругости, меняющаяся с частотой ω. Под действием внешней периодически меняющейся силы второй шарик начинает совершать вынужденные колебания. Поскольку вынужденные колебания всегда происходят с частотой внешней вынуждающей силы, частота колебаний второго шарика будет совпадать с частотой колебаний первого. Однако вынужденные колебания второго шарика будут происходить с некоторым запаздыванием по фазе относительно внешней вынуждающей силы. Другими словами, второй шарик придет в колебательное движение несколько позже, чем первый шарик.
Колебания второго шарика вызовут периодически меняющуюся деформацию пружины 2-3, которая заставит колебаться третий шарик и т.д. Таким образом, все шарики в цепочке будут поочередно вовлекаться в колебательное движение с частотой колебаний первого шарика.
Очевидно, причиной распространения волны в упругой среде является наличие взаимодействия между молекулами. Частота колебания всех частиц в волне одинакова и совпадает с частотой колебаний источника волны.
По характеру колебаний частиц в волне волны делят на поперечные, продольные и поверхностные.
В продольной волне колебание частиц происходит вдоль направления распространения волны.
Распространение продольной волны связано с возникновением в среде деформации растяжения-сжатия. В растянутых участках среды наблюдается уменьшение плотности вещества - разрежение. В сжатых участках среды, наоборот, происходит увеличение плотности вещества -так называемое сгущение. По этой причине продольная волна представляет собой перемещение в пространстве областей сгущения и разрежения.
Деформация растяжения - сжатия может возникать в любой упругой среде, поэтому продольные волны могут распространяться в газах, жидкостях и твердых телах. Примером продольной волны является звук.
В поперечной волне частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.
Распространение поперечной волны связано с возникновением в среде деформации сдвига. Этот вид деформации может существовать только в твердых веществах, поэтому поперечные волны могут распространяться исключительно в твердых телах. Примером поперечной волны является сейсмическая S-волна.
Поверхностные волны возникают на границе раздела двух сред. Колеблющиеся частицы среды имеют как поперечную, перпендикулярную поверхности, так и продольную составляющие вектора смещения. Частицы среды описывают при своих колебаниях эллиптические траектории в плоскости, перпендикулярной поверхности и проходящей через направление распространения волны. Примером поверхностных волн являются волны на поверхности воды и сейсмические L - волны.
Волновым фронтом называют геометрическое место точек, до которых дошел волновой процесс. Форма волнового фронта может быть разной. Наиболее распространенными являются плоские, сферические и цилиндрические волны.
Обратите внимание - волновой фронт всегда располагается перпендикулярно направлению распространения волны! Все точки волнового фронта начнут колебаться в одной фазе .
Для характеристики волнового процесса вводят следующие величины:
1. Частота волны ν - это частота колебания всех частиц в волне.
2. Амплитуда волны А - это амплитуда колебания частиц в волне.
3. Скорость волны υ - это расстояние, на которое распространяется волновой процесс (возмущение) в единицу времени.
Обратите внимание - скорость волны и скорость колебания частиц в волне - это разные понятия! Скорость волны зависит от двух факторов: вида волны и среды, в которой волна распространяется.
Общая закономерность такова: скорость продольной волны в твердом веществе больше, чем в жидкостях, а скорость в жидкостях, в свою очередь, больше скорости волны в газах.
Понять физическую причину этой закономерности несложно. Причина распространения волны - взаимодействие молекул. Естественно, возмущение быстрее распространяется в той среде, где взаимодействие молекул более сильное.
В одной и той же среде закономерность другая - скорость продольной волны больше скорости поперечной волны.
Например, скорость продольной волны в твердом теле , где Е - модуль упругости (модуль Юнга) вещества, ρ - плотность вещества.
Скорость поперечной волны в твердом теле , где N - модуль сдвига. Поскольку для всех веществ , то . На отличии скоростей продольных и поперечных сейсмических волн основан один из методов определения расстояния до очага землетрясения.
Скорость поперечной волны в натянутом шнуре или струне определяется силой натяжения F и массой единицы длины μ:
4. Длина волны λ - минимальное расстояние между точками, которые колеблются одинаково.
Для волн, бегущих по поверхности воды, длина волны легко определяется как расстояние между двумя соседними горбами или соседними впадинами.
Для продольной волны длина волны может быть найдена как расстояние между двумя соседними сгущениями или разрежениями.
5. В процессе распространения волны участки среды вовлекаются в колебательный процесс. Колеблющаяся среда, во-первых, двигается, следовательно, обладает кинетической энергией. Во-вторых, среда, по которой бежит волна, деформирована, следовательно, обладает потенциальной энергией. Нетрудно видеть, что распространение волны связано с переносом энергии к невозбужденным участкам среды. Для характеристики процесса переноса энергии вводят интенсивность волны I .
Волна – процесс распространения колебаний в упругой среде.
Механическая волна – механические возмущения, распространяющиеся в пространстве и несущие энергию.
Виды волн :
продольные – частицы среды совершают колебания по направлению распространения волны – во всех упругих средах;
x
направление колебаний
точек среды
поперечные – частицы среды совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны – на поверхности жидкости.
X
Виды механических волн:
упругие волны – распространение упругих деформаций;
волны на поверхности жидкости.
Характеристики волн:
Пусть А колеблется по закону:
.
Тогда В колеблется с запаздыванием на
угол
,
где
,
т.е.
Энергия волны.
- полная энергия одной частицы. Если
частицN, то,
где
-
эпсилон,V– объём.
Эпсилон – энергия в единице объёма волны – объёмная плотность энергии.
Поток энергии волн равен отношению
энергии, переносимой волнами через
некоторую поверхность, к времени, в
течение которого этот перенос осуществлён:
,
ватт; 1 ватт = 1Дж/с.
Плотность потока энергии – интенсивность волны – поток энергии через единицу площади - величина, равная средней энергии, переносимой волной в единицу времени за единицу площади поперечного сечения.
[Вт/м 2 ]
.
Вектор Умова – векторI, показывающий направление распространения волн и равный потоку энергии волн, проходящему через единичную площадь, перпендикулярную этому направлению:
.
Физические характеристики волны :
амплитуда
длина волны
скорость волны
интенсивность
Колебательные:
Волновые:
Сложные колебания (релаксационные) – отличающиеся от синусоидальных.
Преобразование Фурье – любую сложную периодическую функцию можно представить суммой нескольких простых (гармонических) функций, периоды которых кратны периоду сложной функции – это гармонический анализ. Происходит в анализаторах. Итог – гармонический спектр сложного колебания:
А
0 
Звук – колебания и волны, которые действуют на ухо человека и вызывают слуховое ощущение.
Звуковые колебания и волны – частный случай механических колебаний и волн. Виды звуков :
простой – гармонический - камертон
сложный – ангармонический – речь, музыка
Тоны – звук, являющийся периодическим процессом:
Сложный тон может быть разложен на
простые. Наименьшая частота такого
разложения – основной тон, остальные
гармоники (обертоны) – имеют частоты,
равные 2
и другие. Набор частот с указанием их
относительной интенсивности –
акустический спектр.
Шум – звук со сложной неповторяющейся временной зависимостью (шорох, скрип, аплодисменты). Спектр – сплошной.
Физические характеристики звука :
Характеристики слухового ощущения :
Высота – определяется частотой звуковой волны. Чем больше частота, тем выше тон. Звук большей интенсивности – более низкий.
Тембр – определяется акустическим спектром. Чем больше тонов, тем богаче спектр.
Громкость – характеризует уровень слухового ощущения. Зависит от интенсивности звука и частоты. Психофизическийзакон Вебера-Фехнера : если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастёт в арифметической прогрессии (на одинаковую величину).
,
где Е – громкость (измеряется в фонах);
- уровень интенсивности (измеряется в
белах). 1 бел – изменение уровня
интенсивности, которое соответствует
изменению интенсивности звука в 10 раз.K– коэффициент
пропорциональности, зависит от частоты
и интенсивности.
Зависимость между громкостью и интенсивностью звука – кривые равной громкости , построенные на экспериментальных данных (создают звук частотой 1 кГц, меняют интенсивность, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука). Зная интенсивность и частоту можно найти фон.
Аудиометрия – метод измерения остроты слуха. Прибор – аудиометр. Полученная кривая – аудиограмма. Определяется и сравнивается порог слухового ощущения на разных частотах.
Шумометр – измерение уровня шума.
В клинике : аускультация – стетоскоп/фонендоскоп. Фонендоскоп – полая капсула с мембраной и резиновыми трубками.
Фонокардиография – графическая регистрация фонов и шумов сердца.
Перкуссия.
Ультразвук – механические колебания и волны с частотой выше 20кГц до 20 МГц. УЗ-излучатели – электромеханические излучатели, основанные на пьезоэлектрическом эффекте (переменный ток к электродам, между которыми - кварц).
Длина волны УЗ меньше длины волны звука: 1,4 м – звук в воде (1 кГц), 1,4 мм – ультразвук в воде (1 МГц). УЗ хорошо отражается на границе кость-надкостница – мышца. УЗ в тело человека не проникнет, если не смазать маслом (воздушный слой). Скорость распространения УЗ зависит от среды. Физические процессы: микровибрации, разрушение биомакромолекул, перестройка и повреждение биологических мембран, тепловое действие, разрушение клеток и микроорганизмов, кавитация. В клинике: диагностика (энцефалограф, кардиограф, УЗИ), физиотерапия (800 кГц), ультразвуковой скальпель, фармацевтическая промышленность, остеосинтез, стерилизация.
Инфразвук – волны с частотой меньше 20 Гц. Неблагоприятное действие – резонанс в организме.
Вибрации . Полезное и вредное действие. Массаж. Вибрационная болезнь.
Эффект Доплера – изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.
1 случай: Н приближается к И.
2 случай: И приближается к Н.
3 случай: приближение и отдаление И и Н друг от друга:
Система: генератор УЗ – приёмник –
неподвижна относительно среды. Движется
объект. Он принимает УЗ с частотой
,
отражает её, посылая на приёмник, который
получает УЗ волну с частотой
.
Разница частот –доплеровский сдвиг
частоты
:
.
Используется для определения скорости
кровотока, скорости движения клапанов.
Механическая волна в физике - это явление распространения возмущений, сопровождающееся передачей энергии колеблющегося тела от одной точки к другой без транспортировки вещества, в некоторой упругой среде.
Среда, в которой между молекулами существует упругое взаимодействие (жидкость, газ или твёрдое вещество) - обязательное условие для возникновения механических возмущений. Они возможны только тогда, когда молекулы вещества сталкиваются друг с другом, передавая энергию. Одним из примеров таких возмущений является звук (акустическая волна). Звук может распространяться в воздухе, в воде или в твёрдом теле, но не в вакууме.
Для создания механической волны необходима некоторая начальная энергия, которая выведет среду из положения равновесия. Эта энергия затем и будет передаваться волной. Например, камень, брошенный в небольшое количество воды, создаёт волну на поверхности. Громкий крик создаёт акустическую волну.
Основные виды механических волн:
- Звуковые;
- На поверхности воды;
- Землетрясения;
- Сейсмические волны.
Механические волны имеют пики и впадины как все колебательные движения. Их основными характеристиками служат:
- Частота. Это количество колебаний, совершающихся за секунду. Единицы измерения в СИ: [ν] = [Гц] = [с -1 ].
- Длина волны. Расстояние между соседними пиками или впадинами. [λ] = [м].
- Амплитуда. Наибольшее отклонение точки среды от положения равновесия. [Х max ] = [м].
- Скорость. Это расстояние, которое преодолевает волна за секунду. [V] = [м/с].
Длина волны
Длиной волны называют расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах.
Волны распространяются в пространстве. Направление их распространения называют лучом и обозначают линией, перпендикулярной волновой поверхности. А их скорость вычисляют по формуле:
Граница волновой поверхности, отделяющая часть среды, в которой уже происходят колебания, от части среды, в которой колебания ещё не начались, - волновой фронт .
Продольные и поперечные волны
Одним из способов классификации механического типа волн является определение направления движения отдельных частиц среды в волне по отношению к направлению её распространения.
В зависимости от направления движения частиц в волнах, выделяют:
- Поперечные волны. Частицы среды в таком типе волн колеблются под прямым углом к волновому лучу. Рябь на пруду или вибрирующие струны гитары помогут представить поперечные волны. Такой тип колебания не может распространяться в жидкости или газовой среде, потому что частицы этих сред движутся хаотично и невозможно организовать их движение перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечный тип волн движется намного медленнее, чем продольный.
- Продольные волны. Частицы среды колеблются в том же направлении, в котором распространяется волна. Некоторые волны такого типа называют компрессионными или волнами сжатия. Продольные колебания пружины - периодичные сжатия и растяжения - представляют хорошую визуализацию таких волн. Продольные волны являются самыми быстрыми волнами механического типа. Звуковые волны в воздухе, цунами и ультразвук - продольные. К ним можно отнести и определённый тип сейсмических волн, распространяющихся под землёй и в воде.
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).
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)
\(T=\dfrac{t}{N},\)
Где t - промежуток времени, в течение которого совершаются N колебаний;
- частота (ν) - число полных колебаний, совершаемых в данной точке в единицу времени
\({\rm \nu} =\dfrac{N}{t}.\)
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
\(\lambda =\upsilon \cdot T.\)
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 м 2 , расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны:
\(I=\dfrac{W}{S\cdot t}.\)
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/м 2).
Уравнение бегущей волны
Рассмотрим колебания источника волны, происходящие с циклической частотой ω \(\left(\omega =2\pi \cdot \nu =\dfrac{2\pi }{T} \right)\) и амплитудой A :
\(x(t)=A\cdot \sin \; (\omega \cdot t),\)
где x (t ) - смещение источника от положения равновесия.
В некоторую точку среды колебания придут не мгновенно, а через промежуток времени, определяемый скоростью волны и расстоянием от источника до точки наблюдения. Если скорость волны в данной среде равна υ, то зависимость от времени t координаты (смещение) x колеблющейся точки, находящейся на расстоянии r от источника, описывается уравнением
\(x(t,r) = A\cdot \sin \; \omega \cdot \left(t-\dfrac{r}{\upsilon } \right)=A\cdot \sin \; \left(\omega \cdot t-k\cdot r \right), \;\;\; (1)\)
где k -волновое число \(\left(k=\dfrac{\omega }{\upsilon } = \dfrac{2\pi }{\lambda } \right), \;\;\; \varphi =\omega \cdot t-k\cdot r\) - фаза волны.
Выражение (1) называется уравнением бегущей волны .
Бегущую волну можно наблюдать при следующем эксперименте: если один конец резинового шнура, лежащего на гладком горизонтальном столе, закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести его второй конец в колебательное движение в направлении, перпендикулярном шнуру, то по нему побежит волна.
Продольная и поперечная волны
Различают продольные и поперечные волны.
- Волна называется поперечной , если частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Рассмотрим подробнее процесс образования поперечных волн. Возьмем в качестве модели реального шнура цепочку шариков (материальных точек), связанных друг с другом упругими силами (рис. 3, а). На рисунке 3 изображен процесс распространения поперечной волны и показаны положения шариков через последовательные промежутки времени, равные четверти периода.
В начальный момент времени \(\left(t_1 = 0 \right)\) все точки находятся в состоянии равновесия (рис. 3, а). Если отклонить шарик 1 от положения равновесия перпендикулярно всей цепочки шаров, то 2 -ой шарик, упруго связанный с 1 -ым, начнет двигаться за ним. Вследствие инертности движения 2 -ой шарик будет повторять движения 1 -ого, но с запаздыванием во времени. Шар 3 -й, упруго связанный со 2 -ым, начнет двигаться за 2 -ым шариком, но с еще большим запаздыванием.
Через четверть периода \(\left(t_2 = \dfrac{T}{4} \right)\) колебания распространяются до 4 -го шарика, 1 -ый шарик успеет отклониться от своего положения равновесия на максимальное расстояние, равное амплитуде колебаний А (рис. 3, б). Через полпериода \(\left(t_3 = \dfrac{T}{2} \right)\) 1 -ый шарик, двигаясь вниз, возвратится в положение равновесия, 4 -ый отклонится от положения равновесия на расстояние, равное амплитуде колебаний А (рис. 3, в). Волна за это время доходит до 7 -го шарика и т.д.
Через период \(\left(t_5 = T \right)\) 1 -ый шарик, совершив полное колебание, проходит через положение равновесия, а колебательное движение распространится до 13 -ого шарика (рис. 3, д). А дальше движения 1 -го шарика начинают повторяться, и в колебательном движение участвуют все больше и больше шариков (рис. 3, д).
Примерами продольных волн являются звуковые волны в воздухе и жидкости. Упругие волны в газах и жидкостях возникают только при сжатии или разрежении среды. Поэтому в таких средах возможно распространение только продольных волн.
Волны могут распространяться не только в среде, но и вдоль границы раздела двух сред. Такие волны получили название поверхностных волн . Примером данного типа волн служат хорошо знакомые всем волны на поверхности воды.
Литература
- Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 424-428.
- Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 25-29.
