Глава 19 Упругие волны § 153. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны

Колебания, возбужденные в какой-либо точке среды (твердой, жидкой или газообраз­ной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Чем дальше расположена частица среды от источника колебаний, тем позднее она начнет колебаться. Иначе говоря, фазы колеба­ний частиц среды и источника тем больше отличаются друг от друга, чем больше это расстояние. При изучении распространения колебаний не учитывается дискретное (молекулярное) строение среды и среда рассматривается как сплошная, т. е. непрерыв­но распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.

Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым про­цессом(иливолной). 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. Поэтомуосновным свойством всех волн,независимо от их природы, являетсяперенос энергии без переноса вещества.

Среди разнообразных волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромагнитные волны.Упругими(илимеханическими) волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Упругие волны бывают продольные и попереч­ные. Впродольных волнахчастицы среды колеблются в направлении распространения волны, впоперечных—в плоскостях, перпендикулярных направлению распростране­ния волны.

Продольные волны могут возбуждаться в средах, в которых возникают упругие силы при деформации сжатия и растяжения,т. е. твердых, жидких и газообразных телах. Поперечные волны могут возбуждаться в среде, в которой возникают упругие силыпри деформации сдвига,т. е. в твердых телах;в жидкостях и газах возникают только продольные волны,ав твердых телах —какпродольные,таки поперечные.

Упругая волнаназываетсягармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими. На рис. 220 представлена гармоническая поперечная волна, распространяющаяся со скоростью vвдоль осих,т. е. приведена зависимость между смещением частиц среды, участвующих в волновом процессе, и расстояниемхэтих частиц (например, частицыВ) от источника колебанийОдля какого-то фиксированного момента времениt. Приведенный график функции (x, t) похож на график гармонического колебания, однако ониразличны по существу.График волны дает зависимость смещениявсех частиц средыот расстояния до источника колебаний в данный момент времени, а график колебаний — зависимость смещенияданной частицы от времени.

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны(рис. 220). Длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется определенная фаза колебания за период, т. е.

или, учитывая, что T= 1/,где— частота колебаний,

Если рассмотреть волновой процесс подробнее, то ясно, что колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси х,а колеблется совокупность частиц, расположенных в некотором объеме, т. е. волна, распространяясь от источника колебаний, охва­тывает все новые и новые области пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времениt, называетсяволновым фронтом. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Волновых поверхностей можно провести бесчисленное множество, а волновой фронт в каждый момент времени — один. Волновой фронт также является волновой поверхностью. Волновые поверхности могут быть любой формы, а в про­стейшем случае они представляют собой совокупность плоскостей, параллельных друг другу, или совокупность концентрических сфер. Соответственноволнаназываетсяплоскойилисферической.