Физика — 10

За пределами среды упругие волны не существуют. Волны бывают двух видов: поперечные и продольные. Поперечная волна — это волна, распространяющаяся перпендикулярно направлению колебательного движения частиц среды. Поперечные волны могут

распространяться только в твердых телах и по поверхности жидкостей. Поперечные волны распространяются в среде в форме сменяющих друг друга выпуклостей и впадин (d).

Продольная волна — это волна, распространяющаяся вдоль направления колебательного движения частиц среды. Продольные волны могут распространяться во всех средах (твердых телах, жидкостях и газах). Продольные волны распространяются в среде в форме сменяющих друг друга зон сгущения и разрежения среды. Например, пропустив через длинную пружину пластмассовую нить, закрепите горизонтально оба конца нити и один из концов пружины к опорам, затем, периодически двигая свободный конец пружины вправо-влево, можно наблюдать чередование зон сгущения и рассеивания колец пружины (

e).

Характеристика волны. Колебания, происходящие в какой-либо точке среды, передаются в другие точки не мгновенно, а с определенной конечной скоростью, которая определяет скорость волны.
Скорость волны — это скорость распространения колебаний в среде.

Так как волна в однородной среде распространяется равномерно, скорость волны будет равна:

v = l
t. (4.34)

Где l − расстояние, на которое распространяется волна за время t:

l = v⋅t.

Другими характеристиками волны являются частота, период и длина волны.
Частота волны (период) — это частота (период) колебаний источника, создающего волну.
Длина волны — это расстояние (l = λ), на которое волна распространяется за время, равное одному периоду колебания (t = T )
.

Приняв во внимание это определение в (4.34), получим выражение для скорости распространения волны:

v = λ
T, (4.35)

или v = ν ⋅ λ. (4.36)

Где λ (лямбда) — длина волны, в СИ единица ее измерения — метр. Из последних двух формул можно определить длину волны:

λ = v ⋅ T ; λ = v
ν. (4.37)

Скорость волны не зависит от ее частоты и периода. Скорость волны зависит от свойств и агрегатного состояния среды. Длина волны в однородной среде (v= const) прямо пропорциональна периоду колебаний и обратно пропорциональна частоте колебаний.

в каких средах могут возникать, каковы свойства, пример

Содержание:

  • Что такое продольные и поперечные волны в физике
    • В какой среде возможно распространение
  • В каких направлениях совершаются колебания
  • Как характеризуется поперечная волна или волна сдвига
  • Примеры продольных и поперечных волн

Содержание

  • Что такое продольные и поперечные волны в физике
    • В какой среде возможно распространение
  • В каких направлениях совершаются колебания
  • Как характеризуется поперечная волна или волна сдвига
  • Примеры продольных и поперечных волн

Что такое продольные и поперечные волны в физике

Волна — изменение характеристик физического поля или среды, способное удаляться от места возникновения или колебаться внутри ограниченной области пространства.

Продольные волны — волны, при которых частицы вещества колеблются вдоль направления распространения.

Поперечные волны — волны, при которых частицы вещества колеблются перпендикулярно направлению распространения.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

В какой среде возможно распространение

И продольные, и поперечные волны относятся к упругим — возникающим только в упругой среде, обладающей свойством после деформации возвращаться к прежней форме.
Продольные волны возникают при сопротивлении среды изменению ее объема, их причина — деформация сжатия/растяжения (в твердой среде) или уплотнения/разрежения (в газах и жидкостях).

Чтобы узнать длину волны, нужно измерить расстояние между ближайшими точками сжатия или растяжения.
Продольные волны могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной. Во время этого процесса непрерывно изменяется давление в каждой точке среды.

В твердых телах продольные волны распространяются быстрее, чем поперечные. Для сравнения: продольная волна движется в стали со скоростью около 5900 м/с, поперечная — примерно 3250 м/с.
Поперечные волны возникают при сдвиге слоев среды относительно друг друга. Жидкости и газы не сопротивляются изменению формы, поэтому поперечные волны возможны только в твердых средах. Длина поперечной волны — расстояние между двумя ближайшими ее впадинами или горбами.

В каких направлениях совершаются колебания

  1. Продольная волна заставляет частицы среды колебаться у своих положений равновесия, и этот процесс перемещается параллельно направлению распространения волны. Частицы сдвигаются строго по одной линии.
  2. В поперечной волне колебания элементов происходят в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Среда стремится вернуть деформированные частицы на место, при этом на несмещенные частицы рядом со смещенными воздействуют силы упругости и отклоняют их от положения равновесия.

Из-за преломления или отражения продольные волны на границе раздела двух сред могут превращаться в поперечные, и наоборот.

Как характеризуется поперечная волна или волна сдвига

Чтобы однозначно характеризовать движение волны, необходимо составить ее уравнение. Для упругих волн уравнением служит функция координат и времени смещения частиц среды от их положений равновесия.
Общее уравнение гармонической плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х в среде, которая не поглощает энергию:

\(\xi\;(х,t)\;=\;A\cos\;\lbrack\omega\;\times\;(t\;-\;\frac xv)\;+\;\varphi_0\rbrack\)

В этом выражении A — амплитуда волны, \(\omega\) — циклическая частота, \(\varphi_0 \)— начальная фаза волны, определяемая началом отсчета х и t.
Скорость поперечной волны зависит от погонной массы \(\mu\) (массы единицы длины) и силы натяжения Т. Она рассчитывается по формуле \(\nu\;=\;\sqrt{\frac Т\mu}. \)

При распространении поперечной волны распределение возмущений среды происходит с нарушением симметрии.

Поляризация — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Поляризация влияет на скорость распространения волны, часто используется для создания оптических эффектов, например, 3D-изображения.
Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.

Примеры продольных и поперечных волн

Все акустические волны — продольные. Звуки, слышимые человеком, находятся в диапазоне

17–20000 Гц. Ниже этого диапазона расположены инфразвуковые волны, выше — ультразвуковые. Также к продольным волнам относятся сейсмические Р-волны, возникающие во время землетрясений.

Увидеть колебания продольной волны без специальных приборов можно на примере пружины, подвешенной горизонтально. Если ударить по одному ее концу, несколько витков пружины сблизятся, затем разойдутся. Это колебание будет постепенно переходить от витка к витку по всей длине пружины.

Поперечные волны возникают в натянутых струнах или нитях. В случае электромагнитных волн поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей. Механического колебания не происходит, но электромагнитные волны, например, световые, тоже принято относить к поперечным.

Насколько полезной была для вас статья?

Рейтинг: 4.67 (Голосов: 6)

Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»

Поиск по содержимому

Продольное и поперечное волновое движение

Продольное и поперечное волновое движение

Дэниел А. Рассел , Аспирантура по акустике, Университет штата Пенсильвания



Эта работа Дэна Рассела находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Основано на работе с http://www.acs.psu.edu/drussell/demos.html.

Содержание этой страницы было первоначально опубликовано 26 августа 1998 г. . Последний раз анимации обновлялись 5 августа 2016 г. . Код HTML был изменен для обеспечения совместимости с HTML5 18 марта 2013 г.


Механические волны — это волны, которые распространяются через материальную среду (твердое тело, жидкость или газ) со скоростью волны, зависящей от упругих и инерционных свойств этой среды. Существует два основных типа волнового движения механических волн: продольных волн и поперечных волн. Приведенные ниже анимации демонстрируют оба типа волн и иллюстрируют разницу между движением волны и движением частиц в среде, через которую распространяется волна.


Следующие анимации были созданы с использованием модифицированной версии Mathematica ® Notebook » Звуковые волны» Матса Бенгтссона.

Продольные волны

В продольной волне перемещение частиц параллельно направлению распространения волны. Анимация справа показывает одномерную продольную плоскую волну, распространяющуюся по трубе. Частицы не движутся по трубе вместе с волной; они просто колеблются взад-вперед относительно своего индивидуального положения равновесия. Выберите одну частицу и наблюдайте за ее движением. Волна видится как движение сжатой области (т.е. это волна давления), которая движется слева направо.

Вторая анимация справа показывает разницу между колебательным движением отдельных частиц и распространением волны в среде. Анимация также определяет области сжатия и разрежения.

Р-волны (основные волны) при землетрясении являются примерами продольных волн. Р-волны распространяются с наибольшей скоростью и приходят первыми.

Чтобы увидеть анимацию сферических продольных волн, проверьте:

  • Звуковое излучение от простых источников
  • Излучение от цилиндрических источников

Поперечные волны

В поперечной волне смещение частицы перпендикулярно направлению распространения волны. На анимации ниже показана одномерная поперечная плоская волна, распространяющаяся слева направо. Частицы не движутся вместе с волной; они просто колеблются вверх и вниз вокруг своего индивидуального положения равновесия, когда волна проходит мимо. Выберите одну частицу и наблюдайте за ее движением.

S-волны (вторичные волны) при землетрясении являются примерами поперечных волн. S-волны распространяются со скоростью, меньшей, чем P-волны, и приходят на несколько секунд позже.


Волны на воде (обновлено в 2016 г.)

Волны на воде являются примером волн, в которых сочетаются как продольные, так и поперечные движения. Когда волна проходит через вейвер, частицы проходят кругов по часовой стрелке . Радиус кругов уменьшается по мере увеличения глубины в воде. Анимация справа показывает водную волну, бегущую слева направо в области, где глубина воды больше, чем длина волны. Я выделил две частицы оранжевым цветом, чтобы показать, что каждая частица действительно движется по кругу по часовой стрелке по мере прохождения волны.


Поверхностные волны Рэлея (обновлено в 2016 г.)

Другой пример волн с продольным и поперечным движением можно найти в твердых телах как Поверхностные волны Рэлея (названы в честь Джона У. Струтта, 3-го барона Рэлея, который впервые изучил их в 1885 г.) . Частицы в твердом теле, через которые проходит поверхностная волна Рэлея, движутся по эллиптическим траекториям, причем большая ось эллипса перпендикулярна поверхности твердого тела. По мере увеличения глубины твердого тела «ширина» эллиптического пути уменьшается.

Волны Рэлея в упругом твердом теле очень существенно отличаются от поверхностных волн в воде. В водной волне все частицы движутся по кругу по часовой стрелке. Однако в поверхностной волне Рэлея частицы на поверхности описывают эллипсов против часовой стрелки , в то время как частицы на глубине более 1/5 длины волны описывают эллипсов по часовой стрелке эллипсов. Это движение часто называют «ретроградным», поскольку на поверхности горизонтальная составляющая движения частицы направлена ​​в направлении, противоположном направлению распространения волны. На этой анимации я выделил две частицы оранжевым цветом, чтобы проиллюстрировать ретроградный эллиптический путь на поверхности и изменение направления движения в зависимости от глубины.

Поверхностные волны Рэлея — это волны, вызывающие наибольшие повреждения во время землетрясения. Они распространяются со скоростью, меньшей, чем S-волны, и приходят позже, но с гораздо большей амплитудой. Это также волны, которые легче всего ощущаются во время землетрясения и включают в себя движение как вверх-вниз, так и из стороны в сторону.

Обновление (5 августа 2016 г.) : Спасибо Донгяо Ли (аспирант Иллинойского университета, Урбана-Шампейн), который задавал вопросы, в результате чего была значительно улучшена версия этой анимации.


Назад на страницу анимации акустики и вибрации

Поперечные и продольные волны

Поперечные и продольные волны

Для поперечных волн смещение среды перпендикулярно к направлению распространения волны. Рябь на пруду и волна на струне легко визуализированные поперечные волны.

Поперечные волны не могут распространяться в газе или жидкости, потому что нет механизма, обеспечивающего движение, перпендикулярное распространению волны.


В продольных волнах перемещение среды параллельно распространение волны. Волна в «слинке» — хорошая визуализация. Звуковые волны в воздухе — это продольные волны.
Геологический пример Пример пробковой пыли Пример волнистой волны
Index

Концепция бегущей волны

Концепции распространения звука

 
Гиперфизика***** Звук R Ступица
Назад

Одночастотная звуковая волна, распространяющаяся по воздуху, вызывает синусоидальное изменение давления в воздухе. Движение воздуха, сопровождающее прохождение звуковой волны, будет возвратно-поступательным в направлении распространения звука, что характерно для продольных волн.

Профессор физики Клинт Спротт из Университета Висконсина демонстрирует один из способов визуализации этих продольных волн давления в своем демонстрационном шоу «Чудеса физики».

Leave A Comment