1.5.4 Поперечные и продольные волны. Скорость распространения и длина волны. Интерференция и дифракция волн

Механическая волна — процесс распространения колебаний в упругой среде.

Частицы среды колеблются около положений равновесия, а возмущение передаётся от одной части среды к другой. Поэтому волна переносит энергию, но не переносит вещество вместе с собой.

Если источник совершает гармонические колебания, частицы среды колеблются с частотой источника.

Поперечные и продольные волны

Поперечная волна — волна, в которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению её распространения. Наглядный пример — волна, бегущая по натянутому шнуру.

Продольная волна — волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления её распространения. По среде при этом перемещаются чередующиеся области сжатия и разрежения. Пример — звуковая волна в воздухе.

Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах. Поперечные механические волны распространяются в объёме твёрдых тел, потому что для них нужна упругость при сдвиге.

Важно

Направление распространения волны не следует путать с движением частиц среды: частицы только колеблются около своих положений равновесия.

Скорость распространения и длина волны

Длина волны $\lambda$ — кратчайшее расстояние вдоль направления распространения между двумя точками среды, колеблющимися одинаково, то есть в одной фазе.

В поперечной волне это, например, расстояние между соседними гребнями или соседними впадинами. В продольной — расстояние между соседними сжатиями или соседними разрежениями.

За один период колебаний волна проходит расстояние, равное одной длине волны. Поэтому:

где $v$ — скорость распространения волны, $T$ — период колебаний, $\nu$ — частота. В СИ длину волны измеряют в метрах, а скорость — в $\text{м/с}$.

Частоту волны задаёт источник, а скорость распространения зависит от свойств среды. Поэтому при переходе волны в другую среду её частота сохраняется, а скорость и длина волны могут измениться.

Не путать! Скорость распространения волны $v$ не равна скорости колебательного движения частиц среды.

Интерференция волн

Интерференция волн — устойчивое усиление и ослабление колебаний в разных точках пространства при наложении волн.

Смещения, создаваемые волнами в одной точке, складываются. Если они направлены одинаково, колебание усиливается; если противоположно — ослабляется. При равных амплитудах возможно полное гашение.

Для устойчивой интерференционной картины волны должны иметь одинаковую частоту, а разность их фаз не должна меняться со временем.

Дифракция волн

Дифракция волн — огибание волной препятствий и проникновение в область геометрической тени.

Дифракция особенно заметна, когда размер препятствия или отверстия сравним с длиной волны. Если этот размер намного больше $\lambda$, огибание выражено слабее.

Интерференция и дифракция показывают волновую природу распространяющегося процесса.

Коротко

• Механическая волна переносит энергию без переноса вещества.
• В поперечной волне частицы колеблются поперёк направления распространения, в продольной — вдоль него.
• Длина волны — расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе.
• Связь длины, скорости, периода и частоты: $\lambda =vT=\frac{v}{\nu }$.
• Интерференция приводит к устойчивому усилению и ослаблению колебаний.
• Дифракция проявляется в огибании волной препятствий.