Волны продольные и поперечные

Волновые процессы

Изучая механические колебания, мы не обсуждали вопросы о процессах, которые происходят в среде, окружающей колебательную систему. Действие среды на колебательную систему описывалось путем введения сил трения и сопротивления, вследствие чего система теряла энергию. Одна часть энергии системы расходовалась на генерацию вынужденных колебаний, а другая – на нагревание среды.

При изучении закономерностей распространения механических колебаний в газах, жидкостях и твердых телах мы будем отвлекаться от молекулярного строения этих тел и рассматривать их как сплошную среду, непрерывно распределенную в пространстве. Под частицей сплошной среды, совершающей вынужденные колебания, понимается малый элемент ее объема, размеры которого в то же время во много раз больше межмолекулярных расстояний.

а) Рассмотрим в качестве среды газ. Для газа характерна объемная упругость, т.е. способность сопротивляться изменению его объема. По закону Гука для объемной деформации, изменение давления газа dp прямо пропорционально относительной объемной деформации :

dp = – К ,

где К – модуль объемной упругости.

б) Упругость жидкостей обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому, подобно газам, они обладают только объемной упругой деформацией.

в) Упругость кристаллического твердого тела определяется силами межмолекулярного взаимодействия частиц (ионов, атомов, молекул), образующих твердое тело и совершающих хаотическое движение (колебание около узлов кристаллической решетки). Силы взаимодействия частиц препятствуют деформациям кристаллической решетки, связанным с изменениями его объема и формы. Поэтому в твердых телах помимо объемной упругости существует упругость формы, которая проявляется в их сопротивлении деформации сдвига.

В первом приближении все среды (за исключением разреженных газов) можно считать абсолютно упругими.

Тело, совершающее колебания в упругой среде, периодически воздействует на частицы среды, выводя их из положения равновесия. Последние, в свою очередь, действуют на соседние. Таким образом, все более отдаленные от колеблющегося тела участки среды оказываются вовлеченными в колебательное движение.

Механические деформации, распространяющиеся в упругой среде, называются механическими или упругими волнами.

При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Упругая волна называется продольной, если частицы среды колеблются в направлении распространения волны.

Продольные волны связаны с объемной деформацией упругой среды и поэтому могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной. Пример продольных волн – звуковые волны в воздухе.

Упругая волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Поперечные волны возникают в результате деформации сдвига упругой среды, вследствие чего могут распространяться только в твердых телах. Пример поперечных волн – волны вдоль струн музыкальных инструментов.

Дата добавления: 2015-06-04