МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
В этой главе рассмотрим свойства механических волн, включая звуковые. волн, легко раскачивающих боль-шие корабли. Однако при наблюдении этих явлений не всем приходит в голову, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами в том воздухе, которым мы дышим, к что свет, благодаря которому мы __rJalgj видим, тоже представляет собой . „ „ , "" "" " " волновое движение. Волновые про- цессы чрезвычайно широко распро-ис' странены в природе. Различны фи- зические причины, вызывающие волновые движения. Но, подобно колебаниям, все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. Многие трудные для понимания вопросы становятся более ясными, если сравнивать различные волновые явления. Что же называют волной? Почему возникают волны? Отдельные частицы любого тела — твердого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-либо частица тела начинает совершать колебательное движение, то благодаря взаимодействию между частицами это движение начинает с некоторой скоростью распространяться во все стороны. Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. В воздухе, твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря силам упругости. Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. В образовании волн на поверхности воды играют роль сила тяжести и сила поверхностного натяжения. Наиболее наглядно главные особенности волнового движения можно увидеть, если рассматривать волны на поверхности воды. Волны представляются бегущими вперед округлыми валами. 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 на одном месте. При распространении волны происходит перемещение определенного состояния колеблющейся среды, но не перенос вещества. Возникшие в одном месте колебания воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны, вовлекая в колебательное движение все новые и новые частицы среды. Течение же воды не возникает, перемещается лишь форма ее поверхности. Скорость волны. Важнейшей характеристикой волны является ее рис (04 скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Можно себе, например, представить, что над морем летит чайка так, что она все время оказывается над одним и тем же гребнем волны. Скорость волны в этом случае равна скорости чайки. Волны на поверхности воды удобны для наблюдения по той причине, что скорость их распространения невелика. Поперечные и продольные волны. Нетрудно также наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна (рис. 104). Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит назад. Здесь при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый же участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия. Обратите внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура отдельные его участки совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 105). Такие волны называются поперечными. Но не любая волна является поперечной. Колебания могут происходить и вдоль направления распространения волны (рис. 106). Тогда волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 107, а), можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом (рис. 107, б). Колебания любого витка пружины происходят вдоль направления распространения волны. Энергия волны. При распространении механической волны движение передается от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии1. Основное свойство всех волн 1 Представление о распространении энергии было впервые введено в физику русским ученым Н. А. Умовым (1846—1915). независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т.д., и распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение, например шнура, непрерывно течет энергия. Эта энергия слагается из кинетической энергии движения участков шнура и потенциальной энергии его упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю. Волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Скорость волны конечна. Волна переносит энергию, но не переносит вещество среды.