§ 4.1. Волновые явления

Каждый из нас наблюдал, как отп камня, брошенного на спокойную поверхность пруда или озера, кольцами разбегаются волны (рис. 4.1). Многие следили за морскими волнами, набегающими на берег. Все читали или слышали рассказы о чудовищной силе морских волн, раскачивающих большие корабли. Однако при наблюдении этих явлений не всем приходит в голову, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами, распространяющимися в том воздухе, которым мы дышим, что свет, благодаря которому мы видим, тоже представляет волновое движение. Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. Одни волны мы видим, но не слышим; другие слышим, но не видим; существуют волны, которые не видны и не слышны, но с их помощью можно и видеть и слышать. Наконец, существуют квантово-механические волны вероятности, связанные с движением электронов и других элементарных частиц. Мы лишены возможности представить их себе наглядно.
Различны физические причины, вызывающие волновые движения. Но подобно колебаниям все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми уравнениями. Многие трудные для понимания вопросы становятся более ясными, если сравнивать различные волновые явления друг с другом.

кольцами разбегаются волны

Что же называется волной? Почему возникают волны?

Отдельные частицы любого тела — твердого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг с другом. Поэтому, если в каком-либо участке упругой среды возникнет деформация, то по прекращении внешних воздействий она не останется на месте, а начнет распространяться в среде во всех направлениях.

Изменение состояния среды, распространяющееся в пространстве с течением времени, называется волной.

В воздухе, в твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря силам упругости (упругие волны). Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. В образовании волн на поверхности воды играют роль сила тяжести и сила поверхностного натяжения (поверхностные волны).

Волновой импульс и гармонические волны

Волны могут иметь различную форму. Волновым импульсом (или одиночной волной) называется сравнительно короткое возмущение (всплеск) произвольной формы. Такой импульс возникает, например, в резиновом шнуре, привязанном к стенке, если взмахнуть один раз рукой, держащей противоположный конец растянутого шнура (рис. 4.2).

Если возмущение среды вызывается периодической внешней силой, меняющейся со временем по гармоническому закону, то вызываемые ею волны называют гармоническими. В этом случае в каждой точке среды происходят гармонические колебания с частотой внешнего воздействия. Мы будем преимущественно рассматривать гармонические волны или волны, близкие к гармоническим. Это наиболее простой вид волнового движения. Исследование гармонических волн имеет первостепенное значение при построении теории любого волнового движения.

Главная особенность волнового движения

Наглядное представление об основных особенностях волнового движения можно получить, если рассматривать волны на поверхности воды. Волны имеют вид бегущих вперед округлых валов (рис. 4.3). Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако если бросить в воду легкий предмет, например спичечный коробок, то он не будет увлекаться вперед волной, а начнет совершать колебания вверх и вниз, оставаясь почти точно на одном месте*.

* Детальные исследования показывают, что частицы воды не колеблются на одном месте, а совершают более сложное движение. Однако и волны на поверхности воды подчиняются общим для всех волн закономерностям.

особенность волнового движения

При распространении волны происходит передвижение формы (перемещение определенного состояния колеблющейся среды), но не перенос вещества, в котором распространяется волна. Возникшие в одном месте возмущения воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны. Течения же воды не возникает: перемещается лишь форма ее поверхности.

Окончание параграфа >>>