Распространение колебаний в упругих средах. Поперечные и продольные волны. Длина волны. Связь между длиной волны, скоростью ее распространения и периодом (частотой).

Механическая волна – процесс распространения колебаний в упругой среде.

Способность газа сопротивляться изменению объема – объемная упругость газа. Газы легко изменяют свою форму, т.е. не обладают упругостью формы.

Упругая среда состоит из большого числа связанных друг с другом частиц, совершающих колебания и называемых вибраторами.

Если возбуждаются колебания одной из частиц, то она становится центром распространяющейся волны.

Волны, в которых происходит перемещение фазы с определенной скоростью, называются бегущими.

При наблюдении за волнами видно именно распространение фазы, например, движение гребня волны. Скорость распространения фазы волны называется фазовой скоростью. Все точки среды в волне колеблются около своего положения равновесия и вместе с фазой не перемещаются.

Кинематическим признаком волнового движения служит распространение фазы колебаний, динамическим – перенос энергии. Характер механических волн, распространяющихся в среде, зависит от упругих свойств этой среды.

1. Поперечные – волны, в которых колебания частиц среды происходят перпенди­кулярно к направлению распространения волны.

направление колебаний

направление распространения волны

Поперечная волна возникает в результате деформации сдвига, следствием которой является изменение формы тела. Она может возникнуть только в твердых телах или на поверхности жидкости.

2. Продольные волны – волны, у которых направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны. Они возникают в результате деформации сжатия и разрежения.

направление колебаний

направление распространения волны

Направление распространения волны называют лучом.

Возникновение продольных волн возможно в твердых телах, жидкостях и газах.

Волновой поверхностью называется геометрическое место точек, колеблющихся с одинаковой фазой. В изотропной среде луч перпендикулярен волновой поверхности.

У волн, распространяющихся из точечного центра возбуждения, лучи направлены радиально, а волновые поверхности представляют собой сферы.

В случае плоского источника возникают плоские волны. В них лучи параллельны, а волновые поверхности представляют собой плоскости.

Расстояние между соседними волновыми поверхностями называется длиной волны λ. Длина волны не зависит ни от координаты, ни от времени.

Длина волны λ – расстояние между точками, колеблющимися с одинаковой фазой.

Продолжительность полного колебания частицы - период ,

где v - частота колебаний.

За один период волна распространяется на расстояние, равное длине волны λ:

,

где ω – круговая частота.

Скорость распространения волны – фазовая скорость: .

Фазовая скорость зависит от механических свойств среды.

Упругие волны с большой амплитудой – ударные, с малыми амплитудами – звуковые.