1.6. Гармоническая волна и ее параметры
Гармоническая волна – волна, изменяющаяся во времени по гармоническому закону (монохроматическое колебание или колебание одной частоты). Для анализа распространения сигналов различной формы в цепях радиотехнических устройств, а также распространения их через открытое пространство широко применяется метод преобразования Фурье. В соответствии с этим методом сигнал, имеющий произвольную временную зависимость, раскладывается в ряд Фурье для периодических сигналов или интеграл Фурье для одиночных сигналов. Исследуемый сигнал представляется в виде суммы синусоидальных и косинусоидальных гармоник с различными амплитудами. Если коэффициент передачи цепи известен, то выходной сигнал также представляется в виде суммы синусоидальных и коси-
нусоидальных гармоник уже с другими амплитудами и фазами, величина которых зависит от комплексного коэффициента передачи цепи на данной частоте. Рассмотренный подход используется во всех современных пакетах компьютерного моделирования радиотехнических цепей и устройств. В связи с этим гармонический сигнал является основополагающим для анализа любых электрических цепей, волновых процессов в различных системах и свободном пространстве. Кратко остановимся на основных определениях и понятиях гармонического колебания. Период колебания ( T , с) – время, за которое осуществляется полный цикл колебания (рис.1.3). Длина волны ( λ , м) – наименьшее расстояние между двумя максимумами или минимумами возмущения в пространстве (рис.1.4). Период колебания связан с длиной волны в среде по формуле
| T = | λ | , | (1.1) |
| V |
где V , м/с — скорость распространения волны в данной среде. Период колебания обратно пропорционален частоте
| T = | 1 | . | (1.2) |
| f | |||
A(t) t A 0 T Рис.1.3. Изменение гармонического сигнала во времени A(z) z A 0 λ Рис.1.4. Изменение гармонического сигнала в пространстве
Число длин волн, укладывающихся на расстоянии 2 π в метрах, называется волновым числом k , м -1 :
| k = | 2 π | . | (1.3) |
| λ | |||
Гармонически изменяющуюся во времени волну, распространяющуюся, например, в направлении оси z , можно описать в следующем виде:
| A ( t ) = A 0 cos ( ω t − k z + ϕ ) , | (1.4) |
где максимальное отклонение колебания относительно равновесного состояния называется амплитудой A 0 . Размерность амплитуды опре- деляется природой гармонического колебания, например, это может быть паскаль (Па) для звукового давления, метр (м) для колеблющейся пружины или вольт на метр ( В м ) для напряженности электриче- ского поля радиоволны. Круговая частота, с -1 , определяется по формуле ω = 2 π f . Выражение, стоящее в скобках (1.4), называется фазой колебания и определяет мгновенное состояние колебания, т. е. именно в данный момент времени. Константа ϕ называется начальной фазой колебания, и ее значение обычно определяется источником колебаний. В среде с потерями распространяющаяся волна часть своей энергии отдает веществу среды, при этом амплитуда поля уменьшается. Это может быть учтено введением зависимости A 0 ( z ) = A 0 e − α z , где α — коэффициент затухания, м -1 . Волна, распространяющаяся в трехмерном пространстве, характеризуется понятием «фронт волны». Фронт волны – это поверхность, на которой волновой процесс имеет одинаковую фазу колебания. По виду фронта волны (или эквифазной поверхности) можно выделить плоские, цилиндрические и сферические волны. Если амплитуда волны во всех точках фронта одинаковая, волна называется однородной . Распространение волны происходит в направлении, перпендикулярном поверхности фронта. Плоская волна идет в одном направлении по нормали к ее фронту. Цилиндрическая и сферическая волны расходятся радиально, соответственно в цилиндрической и сферической системах координат. Цилиндрическая и сферическая волны на-
зываются расходящимися. Амплитуда сферической волны убывает обратно пропорционально расстоянию от источника, а цилиндрическая – обратно пропорционально квадратному корню расстояния. Для характеристики интенсивности воздействия волны вводится понятие плотности потока энергии волны. Плотность потока энер- гии (или интенсивность) волны – это энергия, Дж, переносимая волной через единицу перпендикулярно ориентированной поверхности, м 2 , за единицу времени, с. Плотность потока энергии пропорциональна квадрату амплитуды волны, Вт/м 2 :
| I = e r | 0 α A 0 2 , | (1.6) |
где α — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств среды и типа волны. Единичный вектор e 0 показывает направление распространения энергии. Таким образом, вектор плотности потока энергии показывает направление распространения энергии волны, а его модуль – плотность потока энергии. В технической литературе этот вектор называется вектором Умова для плотности потока энергии акустических волн и вектором Пойнтинга для электромагнитных волн. 1.7. Волновые явления Акустические и электромагнитные волны, распространяющиеся в различных средах и устройствах, подчиняются единым волновым законам. Это явления возбуждения волн конкретными источниками, отражения и преломления волн на границе раздела сред, рассеяние на неоднородностях, рефракция (искривление траектории распространения волн), поглощение энергии, интерференция. Распространение волн любой природы легко понять и объяснить, если обратиться к принципу Гюйгенса: каждая точка среды, вовлеченная в волновое движение, становится источником новой волны, называемой элементарной волной. Наблюдаемый волновой фронт представляет собой результат сложения множества элементарных волн (рис.1.5). Принцип Гюйгенса справедлив для всех видов волн, в том числе для акустических и электромагнитных.
t=t 0 +∆t t=t 0 Рис.1.5. Положение фронта волны в разные моменты времени, определяемое на основе принципа Гюйгенса Направление распространения волны обычно называют лучом. Волновой фронт перпендикулярен лучу. У цилиндрических и сферических волн, распространяющихся от источника возбуждения, лучи направлены радиально, а волновые фронты представляют собой соответственно цилиндры или сферы (рис.1.6, а). В случае плоского или удаленного источника возникают плоские волны. В них лучи параллельны, а волновые фронты представляют собой плоскости (рис.1.6, б). Если на пути распространения волны встречается граница со средой, свойства которой отличаются от свойств среды распространения, наблюдается эффект частичного или полного отражения, а также частичного (а в некоторых случаях и полного) прохождения во вторую среду. Поскольку фронт волны перпендикулярен направлению распространения волны в однородной среде, то из простых геометрических построений доказывается равенство углов падения и отражения волн (рис.1.7). Однако в отличие от электромагнитных волн для акустических в ряде случаев может наблюдаться эффект расщепления волн и появление волнового луча, отраженного под другим углом (см. разд. 4.3). Направление распространения преломленных волн зависит от соотношения скорости распространения волн в первой и второй средах (рис.1.8). Анализ поведения волн на границе раздела сред легко выполнить на основе применения принципа Гюйгенса и рассмотрения элементарных волн, возбуждаемых на границе. 15
Волновые Волновые фронты фронты 
Лучи Лучи а б Рис.1.6. Волновые фронты и лучи в радиально распространяющейся волне (а) и плоской волне (б) Фронт падающей волны Фронт отраженной волны Рис.1.7. Отражение плоской волны на границе раздела сред Если свойства среды, влияющие на скорость распространения волны, меняются, то может наблюдаться такое явление, как рефракция. Рефракцией называется искривление траектории распространения волны в неоднородной среде. 16
Фронт падающей волны Фронт прошедшей волны Рис.1.8. Преломление плоской волны на границе раздела сред Если на пути распространения волны встречается какое-либо тело, то это приводит к нарушению структуры поля. Например, наблюдается эффект огибания волнами препятствия. В физике подобное явление называют дифракцией . Возникающая при этом картина поля существенно зависит от соотношения размеров препятствий и длины волны. На рис.1.9 показано, как меняется структура поля плоской волны, «просачивающейся» через отверстие малых размеров. В ряде случаев анализ дифрагированного поля можно вновь выполнить на основе рассмотрения элементарных волн и принципа Гюйгенса. Рис.1.9. Дифракция плоской волны на отверстии малых размеров Возникновение дополнительных акустических или электромагнитных полей в результате дифракции соответствующих волн на препятствиях, помещенных в среду, на неоднородностях среды, а 17
также на неровных и неоднородных границах сред, называется рассеянием волн. При рассеянии результирующее поле можно представить в виде суммы первичной волны, существовавшей в отсутствие препятствий, и рассеянной (вторичной) волны, возникшей в результате взаимодействия первичной волны с препятствиями. Если препятствий много, то общая картина поля образуется суммированием повторно и многократно рассеянных волн. Еще одно важное понятие, используемое в теории волновых процессов, – интерференция волн. Интерференцией волн называется сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция наблюдается у волн любой природы, в том числе у акустических и электромагнитных. Рис.1.10. Интерференционная картина сложения волн двух источников В первой части настоящего пособия основное внимание уделено акустическим волнам. Теория акустических волн даётся в рамках линейной акустики, т.е. акустики малых амплитуд изменения физических величин. Отмечены особенности распространения акустических волн по сравнению с электромагнитными волнами.
1.3 Гармоническая волна и ее параметры
Гармоническая волна – волна, изменяющаяся во времени по гармоническому (синусоидальному) закону. Для этой волны также употребляется термин монохроматическая (одноцветная) волна, заимствованный из оптики. Любой волновой процесс можно представить с помощью преобразований Фурье через гармонические волны.
Кратко остановимся на основных определениях и понятиях гармонической волны. Уравнения плоской гармонической волны, распространяющейся, например, вдоль оси zв среде без потерь записывается в следующем виде
(1.1)
Под величиной A понимается физическая величина, определяющая волновой процесс. Максимальное значение этой величины называется амплитудой, обозначенной в (1.1) через. Размерность амплитуды определяется природой волнового процесса. Например, в звуковых волнах амплитуда измеряется в единицах давления паскалях (Па), в электромагнитных волнах амплитуда напряженности электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м), а магнитного поля – в амперах на метр (А/м).
Выражение, стоящее в скобках (1.1), называется фазой колебания, через которую определяется значение физической величины в данный момент времени и в данной точке пространства. Константа j0называется начальной фазой, использование которой имеет смысл при сравнении двух и более волн одной частоты в данной точке пространства и в фиксированный момент времени. Круговая частотаwсвязана с частотойf(число колебаний в единицу времени) соотношением
(1.2)
Частота wизмеряется в радианах в секунду, частотаfв герцах (1Гц – одно колебание в секунду). При известной частотеf период колебания находится из соотношения
. (1.3)
Из периодичности волнового процесса в пространстве определяется длина волны
. (1.4)
Таким образом, длина волны – пространственный интервал, по прохождению которого фаза волны меняется на 
вдоль направления распространения. Число длин волн, укладывающихся на расстоянии
метров, называется волновым числом и обозначаетсяk.
Поверхность, на которой волновой процесс имеет одинаковую фазу колебания, называется поверхностью равных фаз или фронтом волны. По форме фронта волны можно выделить плоские, цилиндрические и сферические волны. Поверхность, на которой амплитуда волнового процесса постоянна, называется поверхностью равных амплитуд. Волна называется однородной, если у нее поверхности равных амплитуд и равных фаз совпадают, то есть на поверхности фронта не меняется амплитуда волнового процесса. В неоднородной волне амплитуда на поверхности фронта изменяется.
Плотность потока энергии (или интенсивность) волны – это энергия, переносимая волной через единицу перпендикулярно ориентированной поверхности за единицу времени. Плотность потока энергии пропорциональна квадратуре амплитуды волны
, (1.5)
где p– коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств среды и типа волны;
– единичный вектор, показывающий направление распространения энергии.
Вектор плотности потока энергии в единицу времени (плотности потока мощности) принято называть вектором Умова-Пойнтинга.
Распространение волны происходит в направлении, перпендикулярном поверхности фронта волны. Плоская волна идет в одном направлении по нормали к ее фронту. Цилиндрическая волна расходится по радиусу в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Сферическая волна расходится по радиусу перпендикулярно сферическому фронту. Элемент поверхности цилиндрического фронта 
возрастает прямо пропорционально расстоянию, при этом плотность потока мощности убывает обратно пропорционально расстоянию, а амплитуда цилиндрической волны убывает обратно пропорционально корню квадратному из расстояния. Элемент поверхности сферического фронта
возрастает пропорционально квадрату расстояния, плотность потока мощности уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а амплитуда сферической волны убывает обратно пропорционально расстоянию. В среде с потерями распространяющиеся волны теряют часть своей энергии и их амплитуды убывают по экспоненциальному закону вдоль направления распространения.
Гармоническая волна
Гармоническая волна — волна, при которой каждая точка колеблющейся среды или поле в каждой точке пространства совершает гармонические колебания.
В разных случаях при необходимости особо выделяется интересующий класс гармонических волн, например, плоская гармоническая волна, стоячая гармоническая волна и т. д. (см. ниже).Источниками гармонических волн могут быть гармонические колебания, они также могут возбуждаться в какой-либо системе при взаимодействии её с гармонической волной.
Связанные понятия
Монохроматическая волна — модель в физике, удобная для теоретического описания явлений волновой природы, означающая, что в спектр волны входит всего одна составляющая по частоте.
Физика колебаний и волн — раздел общей физики, изучающий физические явления, характеризующиеся циклическим изменением физических величин во времени и в пространстве. Это — одна большая часть школьного курса физики, изучается после электромагнетизма ( рассматривая механические и электромагнитные процессы вместе ) или сразу с механикой ( в связи с тем, что теория колебаний и волн развивается на основе кинематики и динамики, что охватывает механика ).
Параметры Стокса — это набор величин, описывающих вектор поляризации электромагнитных волн, введенный в физику Дж. Стоксом в 1852 году. Параметры Стокса являют собой альтернативу описанию некогерентного или частично поляризованного излучения в терминах полной интенсивности, степени поляризации и формы эллипса поляризации.
Осцилляции Зенера — Блоха — колебания частицы, движущейся в периодическом потенциале, под действием постоянной силы. Примером системы, в которой могут реализоваться такие колебания, является кристаллическое твердое тело. В реальных кристаллах создать условия для наблюдения осцилляций Зенера — Блоха трудно, однако они наблюдались в искусственных системах, например, сверхрешётках.
Математические основы квантовой механики — принятый в квантовой механике способ математического моделирования квантовомеханических явлений, позволяющий вычислять численные значения наблюдаемых в квантовой механике величин. Были созданы Луи де-Бройлем (открытие волн материи), В. Гейзенбергом (создание матричной механики, открытие принципа неопределённости), Э. Шрёдингером (уравнение Шрёдингера), Н. Бором (формулировка принципа дополнительности). Завершил создание математических основ квантовой механики.
Компле́ксная амплитуда — комплексная величина, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и начальной фазе гармонического сигнала.
Ве́кторная диагра́мма — графическое изображение меняющихся по закону синуса (косинуса) величин и соотношений между ними при помощи направленных отрезков — векторов. Векторные диаграммы широко применяются в электротехнике, акустике, оптике, теории колебаний и так далее.
Гауссов пучок — пучок электромагнитного излучения, в котором распределение электрического поля и излучения в поперечном сечении хорошо аппроксимируется функцией Гаусса. Когерентный световой пучок с гауссовым распределением поля имеет фундаментальное значение в теории волновых пучков. Этот пучок называют основной модой в отличие от других мод более высокого порядка.
Спектральная плотность излучения — характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала. Является применением понятия спектральной плотности мощности к электромагнитному излучению.
Главным образом, интерес к вопросу распространения волн в случайно-неоднородных средах (какой является, например, атмосфера) можно объяснить бурным развитием спутниковых технологий. В этом случае становится важной задача расчета характеристик (например, амплитуды) волны прошедшей через среду и установления их связей с параметром неоднородности среды. Важную роль здесь и играет функция Грина для случайно-неоднородной среды, зная которую можно определить эти характеристики. Рассматривается прохождение.
Волновое уравнение в физике — линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, задающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах (акустика, преимущественно линейная: звук в газах, жидкостях и твёрдых телах) и электромагнетизме (электродинамике). Находит применение и в других областях теоретической физики, например при описании гравитационных волн. Является одним из основных уравнений математической физики.
Параметрический осциллятор — осциллятор, параметры которого могут изменяться в определённой области.
Быстрота́ (англ. rapidity, иногда применяются также термины гиперскорость и угол лоренцева поворота) — в релятивистской кинематике монотонно возрастающая функция скорости, которая стремится к бесконечности, когда скорость стремится к скорости света. В отличие от скорости, для которой закон сложения нетривиален, для быстроты характерен простой закон сложения («быстрота аддитивна»). Поэтому в задачах, связанных с релятивистскими движениями (например, кинематика реакций частиц в физике высоких энергий.
В квантовой механике импульс, как и все другие наблюдаемые физические величины, определяется как оператор, который действует на волновую функцию.
Тензор электромагнитного поля — это антисимметричный дважды ковариантный тензор, являющийся обобщением напряжённости электрического и индукции магнитного поля для произвольных преобразований координат. Он используется для инвариантной формулировки уравнений электродинамики, в частности, с его помощью можно легко обобщить электродинамику на случай наличия гравитационного поля.
Метод изображений (метод зеркальных отображений) — один из методов математической физики, применяемый для решения краевых задач для уравнения Гельмгольца, уравнения Пуассона, волнового уравнения и некоторых других.
Теорема о циркуляции магнитного поля — одна из фундаментальных теорем классической электродинамики, сформулированная Андре Мари Ампером в 1826 году. В 1861 году Джеймс Максвелл снова вывел эту теорему, опираясь на аналогии с гидродинамикой, и обобщил её (см. ниже). Уравнение, представляющее собой содержание теоремы в этом обобщённом виде, входит в число уравнений Максвелла. (Для случая постоянных электрических полей — то есть в принципе в магнитостатике — верна теорема в первоначальном виде, сформулированном.
Силовая линия, или интегральная кривая, — это кривая, касательная к которой в любой точке совпадает по направлению с вектором, являющимся элементом векторного поля в этой же точке. Применяется для визуализации векторных полей, которые сложно наглядно изобразить каким-либо другим образом. Иногда (не всегда) на этих кривых ставятся стрелочки, показывающие направление вектора вдоль кривой. Для обозначения векторов физического поля, образующих силовые линии, обычно используется термин «напряжённость.
Дифра́кция Френе́ля — дифракционная картина, которая наблюдается на небольшом расстоянии от препятствия, по условиям, когда основной вклад в интерференционную картину дают границы экрана.
Обратная решётка — точечная трёхмерная решётка в абстрактном обратном пространстве, где расстояния имеют размерность обратной длины. Понятие обратной решётки удобно для описания дифракции рентгеновских лучей, нейтронов и электронов на кристалле. Обратная решётка (обратное пространство, импульсное пространство) является Фурье-образом прямой кристаллической решётки (прямого пространства).
Магнитоста́тика — раздел классической электродинамики, изучающий взаимодействие постоянных токов посредством создаваемого ими постоянного магнитного поля и способы расчета магнитного поля в этом случае. Под случаем магнитостатики или приближением магнитостатики понимают выполнение этих условий (постоянства токов и полей — или достаточно медленное их изменение со временем), чтобы можно было пользоваться методами магнитостатики в качестве практически точных или хотя бы приближенных. Магнитостатика.
Корреляционная функция — функция времени и пространственных координат, которая задает корреляцию в системах со случайными процессами.
Фотоны, которые мигрируют в биологических тканях могут быть описаны при помощи численного моделирования методом Монте Карло или аналитическим уравнением переноса излучения (УПИ). Однако, УПИ трудно решается без применения упрощений (приближений). Стандартным методом упрощения УПИ является диффузионное приближение. Общее решение уравнения диффузии для фотонов получается быстрее, но менее точно чем методом Монте Карло.
Уравнение синус-Гордона — это нелинейное гиперболическое уравнение в частных производных в 1 + 1 измерениях, включающее в себя оператор Даламбера и синус неизвестной функции. Изначально оно было рассмотрено в XIX веке в связи с изучением поверхностей постоянной отрицательной кривизны. Это уравнение привлекло много внимания в 1970-х из-за наличия у него солитонных решений.
Интегра́л Пуассо́на — общее название математических формул, выражающих решение краевой задачи или начальной задачи для уравнений с частными производными некоторых типов.
Диспе́рсия волн — в теории волн различие фазовых скоростей линейных волн в зависимости от их частоты. Дисперсия волн приводит к тому, что волновое возмущение произвольной негармонической формы претерпевает изменения (диспергирует) по мере его распространения.
Станда́ртный ква́нтовый преде́л (СКП) в квантовой механике — ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины, описываемой оператором, который не коммутирует сам с собой в разные моменты времени. Предсказан в 1967 году В. Б. Брагинским, а сам термин стандартный квантовый предел (англ. standard quantum limit, SQL) был предложен позднее Торном. СКП тесно связан с соотношением неопределенностей Гейзенберга.
Ве́кторная величина́ — физическая величина, являющаяся вектором (тензором ранга 1). Противопоставляется с одной стороны скалярным (тензорам ранга 0), с другой — тензорным величинам (строго говоря — тензорам ранга 2 и более). Также может противопоставляться тем или иным объектам совершенно другой математической природы.
Принцип суперпозиции — один из самых общих законов во многих разделах физики. В самой простой формулировке принцип суперпозиции гласит.
Ток смещения, или абсорбционный ток, — величина, прямо пропорциональная скорости изменения электрической индукции. Это понятие используется в классической электродинамике. Введено Дж. К. Максвеллом при построении теории электромагнитного поля.
Обобщённые координаты — параметры, описывающие конфигурацию динамической системы относительно некоторой эталонной конфигурации в аналитической механике, а конкретно исследовании динамики твёрдых тел в системе многих тел. Эти параметры должны однозначно определять конфигурацию системы относительно эталонной конфигурации. Обобщённые скорости — производные по времени обобщённых координат системы.
Эне́ргия Гельмго́льца (или просто свобо́дная эне́ргия) — термодинамический потенциал, убыль которого в квазистатическом изотермическом процессе равна работе, совершённой системой над внешними телами.
Сила F, действующая на точку P, называется центральной с центром в точке O, если во всё время движения она действует вдоль линии, соединяющей точки O и P.
Мультипо́ли (от лат. multum — много и греч. πόλος — полюс) — определённые конфигурации точечных источников (зарядов). Простейшими примерами мультиполя служат точечный заряд — мультиполь нулевого порядка; два противоположных по знаку заряда, равных по абсолютной величине — диполь, или мультиполь 1-го порядка; 4 одинаковых по абсолютной величине заряда, размещённых в вершинах параллелограмма, так что каждая его сторона соединяет заряды противоположного знака (или два одинаковых, но противоположно направленных.
В квантовой механике, частица в одномерном периодическом потенциале — это идеализированная задача, которая может быть решена точно (при некоторых специального вида потенциалах), без упрощений. Предполагается, что потенциал бесконечен и периодичен, то есть обладает трансляционной симметрией, что, вообще говоря, не выполняется для реальных кристаллов, и всегда существует как минимум один дефект — поверхность (это приводит к другой задаче о поверхностных состояниях или таммовских уровнях).
Соотноше́ния Кра́мерса — Кро́нига — интегральная связь между действительной и мнимой частями любой комплексной функции, аналитичной в верхней полуплоскости. Часто используются в физике для описания связи действительной и мнимой частей функции отклика физической системы, поскольку аналитичность функции отклика подразумевает, что система удовлетворяет принципу причинности, и наоборот . В частности, соотношения Крамерса — Кронига выражают связь между действительной и мнимой частями диэлектрической проницаемости.
Теория Линдхард — метод расчета эффекта экранировки электрического поля электронами в твердом теле. Он базируется на квантовой механике (первый порядок теории возмущений) в пpиближении случайной фазы.
Светово́й ко́нус (изотропный конус, нулевой конус) — гиперповерхность в пространстве-времени (чаще всего в пространстве Минковского), ограничивающая области будущего и прошлого относительно заданного события. Образуется изотропными векторами в пространстве-времени, то есть, ненулевыми векторами нулевой длины.
Квадрупо́льная ли́нза — устройство для фокусировки пучков заряженных частиц с помощью магнитного или реже электрического поля квадрупольной конфигурации.
Норма́льные колеба́ния, со́бственные колебания или мо́ды — набор характерных для колебательной системы типов гармонических колебаний. Каждое из нормальных колебаний физической системы, например, колебаний атомов в молекулах, характеризуется своей частотой. Такая частота называется нормальной частотой, или собственной частотой (по аналогии с линейной алгеброй: собственное число и собственный вектор). Набор частот нормальных колебаний составляет колебательный спектр. Произвольное колебание физической.
Переход Костерлица — Таулеса или переход Березинского — Костерлица — Таулеса (БКТ-переход) или топологический фазовый переход — фазовый переход в двумерной XY-модели. Это переход из состояния связанных пар вихрь-антивихрь при низких температурах в состояние с неспаренными вихрями и антивихрями при некоторой критической температуре. Переход назван в честь занимающихся конденсированными средами физиков Вадима Львовича Березинского, Джона М. Костерлица и Дэвида Дж. Таулеса. БКТ-переходы можно наблюдать.
Уравнение ренормгруппы (уравнение Каллана — Симанчика) — дифференциальное уравнение для корреляционных функций (пропагаторов), показывающее их независимость от масштаба рассмотрения. Оно имеет место, например, при рассмотрении динамики системы вблизи критической точки.
Координаты Борна в специальной теории относительности — система координат, применяемая для описания вращающейся окружности или (в более общем смысле) диска.
Геометрический фактор (также этендю, от фр. étendue géométrique) — физическая величина, характеризующая то, насколько свет в оптической системе «расширен» по размерам и направлениям. Эта величина соответствует параметру качества пучка (BPP) в физике Гауссовых пучков.
Ниже приведены примеры уравнений непрерывности, которые выражают одинаковую идею непрерывного изменения некоторой величины. Уравнения непрерывности — (сильная) локальная форма законов сохранения.
Волново́й фронт — поверхность, до которой дошёл волновой процесс к данному моменту времени.
Эта статья о физическом понятии. О более общем значении термина, см. статью СкалярСкалярная величина (от лат. scalaris — ступенчатый) в физике — величина, каждое значение которой может быть выражено одним действительным числом. То есть скалярная величина определяется только значением, в отличие от вектора, который кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.Скалярная величина, или скаляр согласно математическому энциклопедическому словарю.
В математике особой точкой векторного поля называется точка, в которой векторное поле равно нулю. Особая точка векторного поля является положением равновесия или точкой покоя динамической системы, определяемой данным векторным полем: фазовая траектория с началом в особой точке состоит в точности из этой особой точки, а соответствующая ей интегральная кривая представляет собой прямую, параллельную оси времени.
Теоре́ма о сложе́нии скоросте́й — одна из теорем кинематики, связывает между собой скорости материальной точки в различных системах отсчёта. Утверждает, что при сложном движении материальной точки её абсолютная скорость равна сумме относительной и переносной скоростей.
Трансляционная симметрия — тип симметрии, при котором свойства рассматриваемой системы не изменяются при сдвиге на определённый вектор, который называется вектором трансляции. Например, однородная среда совмещается сама с собой при сдвиге на любой вектор, поэтому для неё свойственна трансляционная симметрия.
Волна
Более правильное определение: Волна — это явление распространения в пространстве с течением времени возмущения физической величины.
По демонстрируемым волнами физическим проявлениям:
- линейные волны — волны с небольшой амплитудой, свойства которых описываются простыми линейными зависимостями;
- Волновые уравнения [ ]
Математическое описание волн основывается на представлении о них, как о пространственно распространяющихся колебаниях, и в общем виде записывается: u = u ( r , t ) где u — отклонение от некоего среднего положения в точке r во время t . Более определённый вид уравнения зависит от типа волны.
Гармоническая волна [ ]
Изменение колеблющейся величины u для гармонически распространяющейся волны в любой точке описывается формулой: u ( r , t ) = A sin 2 π t T > или u ( r , t ) = A cos 2 π t T > где A — амплитуда, t — время, а T — период волны. В любой другой точке, расположенной на расстоянии r от первой в направлении распространения волны, изменение u происходит с опозданием на время t 1 : u ( r , t ) = A sin 2 π T ( t − t 1 ) = A sin 2 π T ( t − r c ) \left( t — t_1 \right) = A \sin \left( t — \right)> где c — скорость распространения волны в данной среде.
Лучи волны [ ]
Происхождение волн [ ]
Общие свойства волн [ ]
Распространение в однородных средах [ ]
При распространении волн изменения их амплитуды и скорости в пространстве и времени зависят от свойств диссипативными процессами внутри среды. Но в случае некоторых специальным образом подготовленных метастабильных сред амплитуда волны может, наоборот, усиливаться (пример: генерация скорость «центра тяжести» волнового пакета.
Групповая и фазовая скорости совпадают только для линейных волн. Для нелинейных волн групповая скорость может быть как больше, так и меньше фазовой скорости. Однако когда речь идёт о скоростях, близких к скорости света, проявляется заведомое неравноправие между групповой и фазовой скоростями. Фазовая скорость не является ни скоростью движения материального объекта, ни скоростью передачи данных, поэтому она может превышать скорость света, не приводя при этом ни к каким нарушениям теории относительности. Групповая же скорость характеризует скорость движения сгустка энергии, переносимой волновым пакетом, и потому не должна превышать скорость света. Однако при распространении волны в метастабильной среде удаётся в определённых случаях добиться групповой скорости, превышающей скорость света.
Поскольку волна переносит энергию и импульс, то её можно использовать для передачи информации. При этом возникает вопрос о максимально возможной скорости передачи информации с помощью волн данного типа (чаще всего речь идёт об электромагнитных волнах). При этом скорость передачи информации никогда не может превышать скорости света, что было подтверждено экспериментально даже для волн, в которых групповая скорость превышает скорость света.
Пространственные размеры волны [ ]
Когда говорят о пространственном размере волны, то имеют в виду размер той области пространства, где амплитуду колебания нельзя считать (в рамках рассматриваемой задачи) пренебрежимо малой. Большинство волн могут, теоретически, обладать сколь угодно большим размером, как в направлении движения, так и поперёк него. В реальности же все волны обладают конечными размерами. Продольный размер волны, как правило, определяется длительностью процесса излучения волны. Поперечный же размер определяется рядом параметров: размером излучателя, характером распространения волны (например, плоская, сферически расходящаяся волна и т. д.).
Некоторые виды волн, в частности, Поляризация волн [ ]
Если в поперечной волне нарушается симметрия распределения возмущений (например, напряжённость электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения, то мы имеет дело с поляризованной волной. В продольной волне поляризация возникнуть не может, т. к. распространение возмущения всегда совпадает с направлением распространения волны.
Подробней на эту тему см. статью «Поляризация волн».
Взаимодействие с телами и границами раздела сред [ ]
Если на пути волны встречается какой-либо дефект среды, тело или граница раздела двух сред, то это приводит к искажению нормального распространения волны. В результат этого часто наблюдаются следующие явления:
Конкретные эффекты, возникающие при этих процессах, зависит от свойств волны и характера препятствия.
Наложение волн [ ]
Излучения с разной длиной волны, но одинаковые по физической природе, могут взаимодействовать друг с другом, интерферировать. При этом могут возникнуть следующие частные эффекты:
Направления исследований волн [ ]
- Получение Примечания [ ]
- ↑Горелик Г. С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. — М.: Гос. издат. ф.— м. лит-ры, 1959, с. 144.
- ↑ Строго говоря, это равенство справедливо только для гармоничных волн.
Литература [ ]
- Крауфорд Ф. Берклеевский курс физики, том 3, Волны.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Курс теоретической физики, том 6, Гидродинамика. издание?
- Уизем, Дж. Линейные и нелинейные волны — М.: Мир, 1977.
- Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 85—88. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
См. также [ ]
- Волны на воде
Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Волна. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .