Распространение волн в упругой среде
Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или
газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия
между частицами это колебание начнет распространяться в среде с некоторой
скоростью v. Процесс распространения колебаний называется волной. Частицы
среды, в которой распространяется волна, не переносятся волной, они лишь
совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от
направления колебания частиц по отношению к направлению, в котором
распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной
волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В
поперечной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к
направлению распространения волны. Механические поперечные волны могут
возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. Поэтому в жидкой и
газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. В твердой
среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн. В продольных
волнах вследствие совпадения направлений колебаний частиц и волны появляются
сгущения и разрежения.
На рис.8.1 показано движение частиц при распространении в
среде поперечной волны. Номерами 1,2,3 и т.д. обозначены частицы, отстоящие
друг от друга на расстоянии, равном , т.е. на расстоянии, проходимом волной за
четверть периода колебаний, совершаемых частицами. В начальный момент времени
(t = 0) все точки расположены на прямой и ни одна из них не выходит из положения
равновесия. Приведем точку 1 в гармоническое колебание с периодом Т,
направленное перпендикулярно линии 1-5. Гак как частицы среды связаны между
собой силами упругости, они тоже приходят в колебания, но с некоторым
запаздыванием. Через четверть периода точка 1 отклонится от линии равновесия на
максимальное смещение. Колебание начали все точки, лежащие слева от точки 2. По
истечении времени начнет подниматься вверх и точка 2. При , первая точка
вернется в положение равновесия, вторая точка достигнет максимального
отклонения, и колебания дойдут до точки 3. При точка 1 достигнет максимального
отрицательного смещения, точка 2 вернется в положение равновесия и колебания
достигнут точки 4. Наконец, за время, равное периоду t = Т, точка 1 вернется в
положение равновесия, совершив полностью одно колебание. Колебания
распространились до точки 5, все колеблющиеся точки образуют волну. При
дальнейших колебаниях точек волновой процесс распространится вправо от точки 5.
В рассмотренном случае образования поперечной волны каждая частица движется
только вверх и вниз. У наблюдателя же создается впечатление, что «волна бежит»,
хотя в действительности происходит только передача движения от одной точки
среды к другой.
В момент времени равный периоду (t = Т), точки 1 и 5,
находящиеся в положении равновесия, имеют одинаковое смещение и одинаковое
направление движения (вверх). Поэтому говорят, что точки I и 5 имеют одинаковые
фазы. В отличие от этого точки 1 и 3, хотя смещения у них одинаковы, движутся в
противоположные стороны, поэтому говорят, что точки 1 и 3 находятся в
противоположных фазах. Расстояния между точками 1 и 5 определяет длину волны
λ т.е. длиной волны λ называется, расстояние между ближайшими точками
волны, колеблющимися в одинаковых фазах. Периодом волны Т называют время одного
полного колебания ее точек. Величина, обратная периоду, называется частотой
волны. Скорость волны определяется скоростью распространения колебаний от одной
точки среды к другой: Так как то, (8.1)
Скорость распространения волн тем меньше, чем инертнее
среда, т.е. чем больше ее плотность. С другой стороны, она имеет большее
значение в более упругой среде, чем в менее упругой. Скорость продольных волн
определяется по формуле: , а поперечной:
где ρ- плотность среды, E - модуль Юнга, G - модуль
сдвига. Так как для большинства твердых тел E>G то скорость продольных волн
больше скорости поперечных.