Начало: Физика для чайников. Урок 1. Что такое физика и с чем ее "едят"?
Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 28. Колебания и волны. Резонанс
До сих пор мы рассматривали просто колебания (маятник, электрический колебательный контур). А теперь представьте, что вы бросаете в речку камушек. Он падает в воду, слышан плеск. И от камня идут характерные круги – волны. Почему? Дело в том, что падая в речку, камень выталкивает воду, которая потом возвращается назад, стремясь заполнить «ямку», которая образовалась в воде от падения камня. И тут тоже возникают колебания. Только в отличии от маятника, колебанию подергается не маятник, а частицы воды, которая вовлекают в колебания другие частицы воды, те в свою очередь следующие и так распространяется волна.
А теперь, собственно определение. Волнойназываются колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Внутри жидкости (а ровно и твердого тела, и воздуха) волны механические волны возникают благодаря силам упругости. А вот на поверхности воды колеблется сам уровень воды. В этом случае волны образуются за счет сил поверхностного натяжения.
Если мы внимательно посмотрим на волны от брошенного в воду камня, то увидим, что они представляют собой бегущие по поверхности воды «валы» с примерно одинаковым расстоянием между ними. Если на воду бросить поплавок, то мы увидим, что он остается на месте, и просто колеблется вверх – вниз. Таким образом, волна – это ни в коем случае не перенос вещества, а перенос его состояния. В случае волны на поверхности воды – это уровень жидкости, в случае механических волны – это плотность.
У волн есть ряд важных физических характеристик:
· Скорость. Волны не могут распространятся мгновенно, скорость их распространения конечна.
· Энергия. Волна распространяется за счет взаимодействия одной части среды с другой. При этом происходит передача энергии. Надосказать, что основное свойство волн заключатся именно в переносе энергии без переноса вещества.
· Длина волны (частота). Волна имеет определенную протяжность в пространстве. Это и есть длина волны. Соответственно, если волна движется, то в определённой точке пространства мы будем наблюдать колебания с определённой частотой, которая зависит от длины и скорости волны.
Механические колебания какой-либо среды (газ, жидкость или твердое тело) – это звук. Что характерно, эти механические колебания могут передаваться от тела к телу. Например, колебания воздуха могут передаваться барабанным перепонкам наших ушей, благодаря чему мы слышим звук. Звук распространяется и в твёрдых телах. Например, приложив ухо к рельсам, мы можем услышать стук колес отходящего поезда.
Однако, не все волны представляют собой механические колебания среды. Есть, например, электромагнитные волны. Они распространяются в вакууме, то есть в пространстве, где нет атомов (ну или почти нет). Раньше считалось, что электромагнитные волны распространяться в некоторой среде, которая называлась эфир. Есть определённая группа людей, которая утверждает, что эфир все-таки существует, а теория относительности неправильная (см. так же Физика для чайников. Урок 6. Теория относительности). Эфир, а так же аргументы его сторонников и противников мы еще обсудим в будущих уроках, так как эта тема довольно таки объемная. А пока идем дальше.
Теперь мы поговорим о том, как распространяться механические волны. Давайте представим себе некий шнур из упругого материала, например из резины. Мы его деформировали, а потом отпустили. Силы упругости сотремся вернуть его в исходное состояние, и возникают колебания, имеющие вид волн. Для наглядности возьмем некую модель вещества, где атомы – это шары, а силы взаимодействия между ними – пружины:
Что будет, если отклонить крайний левый шар (шар №1) и отпустить его? Он вернётся в исходное состояние, но чуть-чуть пролетит и этом толкнёт шар 2, который толкнет шар 3 и так далее. То есть, по всей этой системе побежит волна.
Давайте посмотрим на графиках, как будет распространятся волна:
Местоположения точек на волны – называется фаза. А расстоянием между ближайшими к друг другу точками в одинаковых фазах – это длина волны, она обычно обозначается буковкой лямбда, которая выглядит вот так:
Очевидно, что точки, расстояние межу которыми
где n – цело число, колеблются в одинаковых фазах.
За один период колебания волна распространяется на длину волны (которая обозначится буковкой лямбда), поэтому, скорость волны можно выразить формулой:
Так как период и длина связаны соотношением:
То
На этом пока все, спасибо за внимание.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 30. Колебания и волны. Эфир. Часть 1.