Механические волны

Механические волны

Механической волной называют распространение колебаний в упругой среде. Если бросить камень в спокойную воду, от места падения во все стороны побегут расходящиеся круги — это волны на поверхности воды. Очень важно понять главную идею: при распространении волны переносится энергия, но не само вещество среды. Частицы среды при этом лишь колеблются около своих неизменных положений равновесия, а вперёд бежит только волна.

Виды волн

По направлению колебаний частиц относительно направления распространения волны различают два типа волн:

• Поперечные волны — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Пример: волна, бегущая по натянутому шнуру или резиновому жгуту, если его конец дёрнуть вверх-вниз. Такие волны возникают только в твёрдых телах и на поверхности жидкости.
• Продольные волны — частицы колеблются вдоль направления распространения. При этом в среде образуются чередующиеся сгущения и разрежения. Пример: звук в воздухе, волна в сжимаемой пружине. Такие волны возникают в твёрдых телах, жидкостях и газах.

Причина различия в том, что поперечные волны связаны с упругостью при сдвиге слоёв, а такая упругость есть только у твёрдых тел. В газах и жидкостях слои легко скользят друг по другу, поэтому там возможны только продольные волны.

Длина волны и скорость

Длина волны λ — это расстояние между двумя ближайшими точками среды, которые колеблются одинаково, то есть находятся в одинаковой фазе (например, между двумя соседними гребнями волны). За один период колебаний T волна проходит расстояние, в точности равное одной длине волны.

Поэтому скорость волны связана с длиной волны, периодом и частотой основными формулами:

v = λ / T, и поскольку ν = 1/T, то v = λ·ν

Скорость волны определяется свойствами среды (её плотностью и упругостью), а длина волны зависит и от среды, и от частоты источника.

Разобранный пример

Дано: λ = 2 м, ν = 50 Гц. Найти скорость волны.

v = λ·ν = 2·50 = 100 м/с

Период колебаний: T = 1/ν = 1/50 = 0,02 с

Частые ошибки

Важно: волна переносит энергию, а не вещество. Поплавок на воде не уплывает вместе с волной к берегу, а лишь качается вверх-вниз на месте. Это главное свойство волнового движения. Ещё одна ошибка — путать длину волны (расстояние) с периодом (время): это разные физические величины.

Кратко о главном

• Механическая волна — распространение колебаний в упругой среде.
• Волна переносит энергию, но не вещество.
• Поперечные волны возникают в твёрдых телах и на поверхности жидкости; продольные — во всех средах.
• Длина волны — расстояние между ближайшими точками в одинаковой фазе.
• Основная формула: v = λ·ν.