Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой или механической волной. С волной связан процесс переноса энергии колебаний. Частицы среды при этом не переносятся, а колеблются около положения равновесия. Т.е переноса вещества нет.
Есть продольные и поперечные волны (рис. 15). В продольных волнах есть области сжатия и растяжения (рис. 15а). Частицы совершают колебания вдоль направления распространения волны. В поперечных волнах в среде возникают периодические деформации сдвига. Частицы совершают колебания в направлении перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 15б).
Продольные волны можно наблюдать во всех средах. Поперечные – в твердых телах и на поверхностях жидкостей.
Фронт волны – геометрическое место точек (поверхность), в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение. Фронт волны разделяет области, в которой точки колеблются и области, в которой точки находятся еще в равновесии.
Рис. 15. Человек создает волны при помощи пружины.
|
|
Продольная волна: звенья пружины движутся вправо
и влево параллельно распространению волны (также вправо) (a).
Поперечная волна: звенья пружины движутся вверх и вниз
перпендикулярно распространению волны (вправо) (b)
Волны распространяются с конечной скоростью. Скорость волны – это скорость движения фронта. В воздухе скорость колебания частиц – 10 см/с, а скорость звуковой волны 330 м/с. Волны могут быть плоскими и сферическими.
Длина волны – расстояние, на которое перемещается ее фронт за время равное одному периоду колебаний частицы.
а) Энергетические характеристики волны.
Переносимая волной энергия складывается из кинетической (движение частиц) и потенциальной (деформация среды).
Поток энергии (Ф) – величина, равная средней энергии, проходящей за единицу времени через данную поверхность:
[Вт].
Интенсивность волны (I) – величина равная потоку энергии волны, проходящей через единичную площадь, перпендикулярную к направлению распространения волны:
[Вт/м2]. (5.1)
Объемная плотность энергии () – средняя энергия колебательного движения, приходящаяся на единицу объема среды:
[Дж/м3],
здесь – плотность среды; A – амплитуда колебаний; ‑ циклическая частота – число колебаний за 2 секунд.