11-в. Механические волны
§ 11-в. Механические волны
Кроме колебательного движения тел (или частиц тел) в природе широко распространено волновое движение, или, как говорят, волны в среде. Например, звуковые волны, порождённые молнией (раскаты грома), или волны на поверхности развевающегося флага.
Видели ли вы, как колышется поле со спелыми колосьями пшеницы? В безветрие перед нами расстилается гладь, будто сделанная из жёлтого бархата. Но стоит подуть ветерку, как поле сбрасывает с себя тяжёлый бархат и одевается в лёгкий шёлк, трепещущий на ветру.
Даже в ясный день нам кажется, что по золотистой глади то и дело пробегают тени — одна за другой. Но откуда им взяться? Это дуновение ветра пригибает колосья, заставляет их склоняться к земле, обнажая тонкие стебли и тёмные промежутки между ними. Но как же получается, что тени бегут по полю, то есть движутся, ведь каждый колосок растёт на одном и том же месте? По полю движутся не сами колосья, а места или области, где колосья отклонены от вертикали одинаково или почти одинаково.
Явление распространения колебаний в пространстве (или среде) с течением времени называется волной. Механические волны бывают поперечными и продольными (см. рисунок). Частицы поперечной волны колеблются поперёк направления распространения волны, а частицы продольной — вдоль направления распространения волны.
В любой волне всегда есть частицы, которые в один и тот же момент времени смещены одинаково по отношению к положению равновесия. Расстояние между ближайшими частицами волны, сместившимися одинаково, называется длиной волны. Единица длины волны — 1 метр.
Продольные волны — это сгущения и разрежения среды. Поэтому такие волны могут существовать в любых телах — твёрдых, жидких, газообразных. Поперечные волны могут существовать только в твёрдых телах, так как для распространения такой волны необходимо такое расположение частиц, чтобы между ними могли возникать поперечные силы упругости.
Справа показано распространение поперечной волны с течением времени. Каждая следующая частица начинает двигаться перпендикулярно направлению распространения волны, совершая колебания около своего положения равновесия. Одновременно с этим волна переносит энергию (на рисунке — слева направо). Ведь распространение колебаний на участки среды, прежде находившиеся в покое, и означает распространение (передачу) энергии.
Колебания среды, где распространяется волна, являются вынужденными. Поэтому период их колебаний равен периоду колебаний возбудителя волны. Однако скорость распространения волн в разных средах различна. Например, звуковые волны, переходя из воды в воздух, уменьшают свою скорость в 4–5 раз. Причина — плотность воздуха меньше, чем воды.
Физическая величина, равная отношению длины волны l к периоду колебаний её частиц T, называется скоростью волны. Единица скорости волны — 1 м/с.
Как мы уже отметили, волна осуществляет перенос энергии из одной области пространства в другую. Поэтому, чтобы волна не затухала, а существовала длительное время, необходим источник энергии — колеблющееся тело. Например, источником энергии звуковых волн человеческой речи служат колеблющиеся голосовые связки людей. При обычной громкости речи они создают мощность 0,000007 Вт. Эта энергия передаётся воздухом, частично достигая слушателей, частично рассеиваясь.