2. Поперечные и продольные волны
Рассмотрим симуляцию распространения волны в пружине (рис. \(1\)). В этом случае колебания витков происходят в том же направлении, куда и распространяется волна, т.е. направление колебаний совпадает с направлением распространения волны.
Рис. \(1\). Распространение волны
Волны, в которых направление колебаний совпадает с направлением их распространения, называются продольными волнами.
В природе существуют не только продольные волны.
Проведём опыт с длинным резиновым шнуром Один его конец неподвижно закрепим, а другой будем перемещать так, чтобы совершались в колебательные движения в вертикальной плоскости (под углом 90° к первоначальному положению шнура). Из-за сил упругости, которые возникнут в шнуре, колебание будет передаваться дальше и распространятся по всему шнуру. Таким образом, направление колебаний будет перпендикулярно исходному положению шнура, но передача колебаний (распространение волны) станет происходить вдоль него (рис. \(2\)).
Рис. \(2\). Изображение направлений распространения волны и смещения частиц среды
Если колебание частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны, то такую волну называют поперечной волной.
Устройство, с помощью которого можно моделировать поперечные и продольные волны, называется волновой машиной (рис. \(3\), \(4\)). Ее основные части — шарики, соединенные пружинками (шарики моделируют частицы среды, в которой распространяется волна). Смоделированные волны распространяются по горизонтали.
Продольная волна изображена на рисунке \(3\), а на рисунке \(4\) — поперечная волна.
Рис. \(3\). Изображение продольной волны
Рис. \(4\). Изображение поперечной волны
Волновая машина позволяет наглядно моделировать движение частиц среды с помощью шариков в направлении одной длины волны, рассматривая совокупность шариков как вертикальный слой вещества.
Слои вещества также, как и шарики на модели, смещаются по отношению друг к другу. При этом они колеблются в вертикальной плоскости, совершая движение вверх — вниз. Это движение напоминает сдвиг. Так распространяется поперечная волна.
Механизм распространения продольной волны несколько иной. Слои вещества также деформируются. Только вместо деформации сдвига наблюдается деформация разрежения и сжатия, что приводит к изменению плотности вещества. Область пространства с повышенной плотностью называют уплотнением, а с малой плотностью — разрежением.
Из-за разности строения твердых тел, жидкостей и газов следует вывод: какие механические волны и в какой среде могут распространяться.
При наличии поверхности, а она есть только у твердых тел и жидкостей, могут возникать поперечные волны. В свою очередь, для продольных волн это условие не обязательно. Для их распространения нужны только молекулы среды. Поэтому продольные волны распространяются как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Какие волны называются поперечными, а какие продольными
Волна — изменение характеристик физического поля или среды, способное удаляться от места возникновения или колебаться внутри ограниченной области пространства.
Продольные волны — волны, при которых частицы вещества колеблются вдоль направления распространения.
Поперечные волны — волны, при которых частицы вещества колеблются перпендикулярно направлению распространения.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
В какой среде возможно распространение
И продольные, и поперечные волны относятся к упругим — возникающим только в упругой среде, обладающей свойством после деформации возвращаться к прежней форме.
Продольные волны возникают при сопротивлении среды изменению ее объема, их причина — деформация сжатия/растяжения (в твердой среде) или уплотнения/разрежения (в газах и жидкостях).
Чтобы узнать длину волны, нужно измерить расстояние между ближайшими точками сжатия или растяжения.
Продольные волны могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной. Во время этого процесса непрерывно изменяется давление в каждой точке среды.
В твердых телах продольные волны распространяются быстрее, чем поперечные. Для сравнения: продольная волна движется в стали со скоростью около 5900 м/с, поперечная — примерно 3250 м/с.
Поперечные волны возникают при сдвиге слоев среды относительно друг друга. Жидкости и газы не сопротивляются изменению формы, поэтому поперечные волны возможны только в твердых средах. Длина поперечной волны — расстояние между двумя ближайшими ее впадинами или горбами.
В каких направлениях совершаются колебания
- Продольная волна заставляет частицы среды колебаться у своих положений равновесия, и этот процесс перемещается параллельно направлению распространения волны. Частицы сдвигаются строго по одной линии.
- В поперечной волне колебания элементов происходят в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Среда стремится вернуть деформированные частицы на место, при этом на несмещенные частицы рядом со смещенными воздействуют силы упругости и отклоняют их от положения равновесия.
Из-за преломления или отражения продольные волны на границе раздела двух сред могут превращаться в поперечные, и наоборот.
Как характеризуется поперечная волна или волна сдвига
Чтобы однозначно характеризовать движение волны, необходимо составить ее уравнение. Для упругих волн уравнением служит функция координат и времени смещения частиц среды от их положений равновесия.
Общее уравнение гармонической плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х в среде, которая не поглощает энергию:
В этом выражении A — амплитуда волны, \(\omega\) — циклическая частота, \(\varphi_0 \) — начальная фаза волны, определяемая началом отсчета х и t.
Скорость поперечной волны зависит от погонной массы \(\mu\) (массы единицы длины) и силы натяжения Т. Она рассчитывается по формуле \(\nu\;=\;\sqrt.\)
При распространении поперечной волны распределение возмущений среды происходит с нарушением симметрии.
Поляризация — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Поляризация влияет на скорость распространения волны, часто используется для создания оптических эффектов, например, 3D-изображения.
Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.
Примеры продольных и поперечных волн
Все акустические волны — продольные. Звуки, слышимые человеком, находятся в диапазоне 17–20000 Гц. Ниже этого диапазона расположены инфразвуковые волны, выше — ультразвуковые. Также к продольным волнам относятся сейсмические Р-волны, возникающие во время землетрясений.
Увидеть колебания продольной волны без специальных приборов можно на примере пружины, подвешенной горизонтально. Если ударить по одному ее концу, несколько витков пружины сблизятся, затем разойдутся. Это колебание будет постепенно переходить от витка к витку по всей длине пружины.
Поперечные волны возникают в натянутых струнах или нитях. В случае электромагнитных волн поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей. Механического колебания не происходит, но электромагнитные волны, например, световые, тоже принято относить к поперечным.
Насколько полезной была для вас статья?