Понятие "волна" знакомо нам с самого детства. Первый же выход на пляж с родителями и вы уже "по уши знаете", что такое волна :) Волны - это красиво, прекрасно, весело...Иногда волны имеют разрушительный характер и несут смерти и наводнения. Увы, такова природа. Но всё это обычно является "житейским приложением" волн.
Наверняка многие из вас слышали, что волны встречаются не только на море. Кто-то даже помнит из школьной физики, что есть электромагнитные волны или даже гравитационные волны!
Но что такое волна с точки зрения физики? Когда и из-за чего появляются волны? И почему волны именно такой формы? Из-за чего они подчиняются закону синуса или косинуса? Попробуем ответить на все эти вопросы в нашей статье!
Волна в физике
Волны встречаются в физике повсеместно. Это и звуковые волны, и электромагнитные волны, и механические волны, и даже "химические" волны, ну и относительно "спорные" гравитационные волны.
Разновидностей можно насчитать огромное количество! Ведь классифицировать волны можно по самым разным признакам. Везде, где идёт изменение некоторых характеристик по определенному закону и с некоторой периодичностью уместно сказать про волну.
Интересно обозначить тот факт, что большая часть процессов в нашей жизни подчиняются именно законам, связанным с волновой физикой. Звук, который мы слышим есть волна. Радиоприемник ловит волну. И примеров просто миллион! Любая физическая величина может вести себя как волна при некоторых условиях.
С точки зрения физики, волна есть перенос энергии без переноса вещества. Вы сразу вспомните морскую волну и скажите, что как же так...Ведь перенос вещества там имеет место быть! Гребни волны накрывают берег и не особенно похоже, что переноса вещества нет. Но всё не совсем так. Перенос вещества в этом случае есть явление побочное. Сама же волна остается переносом энергии без переноса вещества.
Можно сформулировать определение немного иначе. Волна в физике есть изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины (или возмущения физической величины).
Но если маятник качается на подвесе, это ведь, наверное, тоже волна? Вовсе нет. Главное отличие волн от колебаний - это перенос энергии. Представьте себе маятник, который вы держите в руках и представьте себе веревку, на которой вы можете воссоздать механическую волну. Чувствуете разницу?
Так когда же появляется волна и почему она существует. Почему в одном случае уместно говорить о волне, а в другом случае нет?
Условия появления и существования волны
Так уж повелось, что некоторые моменты нужно воспринимать как данность. Например, изучая биологию, мы не пытаемся объяснить, а почему же у лягушки именно такая форма тела. Мы можем найти причины эволюционного становления такого тела, как фактора выживания. Но именно что форму тела мы видим просто как дорожный знак. Она просто есть. Так и некоторые процессы подчиняются именно волновому механизму. Например, привычный нам всем звук, представляет собой волну.
Но почему волна появляется далеко не в каждом случае и почему, например, скорость тела при прямолинейном движении не является волной в классическом случае? Наверняка есть какое-то условие существования волны?
Необходимым условием для появления любой волны является возникновение в момент возмущения среды препятствующих ему сил.
Например, для механической волны, силы упругости стараются сблизить соседние частицы, когда они отдаляются, и оттолкнуть их сближении. Силы упругости начинают выводить из равновесия удаленные от источника частички. Все частицы вовлекаются в одно колебательное движение. Получается волна, подчиняющаяся закону синуса.
Т.е. для волны нужно, как минимум, существование некоторой упругой среды.
Вот мы и вывели, собственно, главный принцип формирования волны и описали её физическую модель. Легко увидеть всё это это, глядя на ту же веревочку, эксперимент с которой мы проводили для создания механической волны. Средой для колебания тут является сама веревочка. Она упругая. Мы дергаем за край, создавая источник колебания. Растягивающие напряжение встречают противодействие в виде силы упругости веревки. Тянут частички обратно, в направлении, противоположно направленном нашему дерганию. Но, дойдя до максимума, до верхней точки амплитуды колебания, начинают отталкивать частички обратно. Получилась волна. Написать проще, чем представить. Но нужно, всего лишь, понаблюдать за процессом и вы увидите явление зарождения волны во всей красе!
Очевидно, что в реальных условиях волна будет затухать при отдалении от источника колебаний. Конечно же, если среда будет эту волну гасить. Амплитуда колебания будет уменьшаться. Скажутся внешние силы. Подойдет пример и с веревочкой, и с морской гладью. Идеальный вариант без затухания так и останется идеальным. На практике встретить его не получится.
Радиоволны как ещё один пример
Хорошо, когда можно представить всё механически. Звуковую волну или волну в море представить не сложно! Даётся это намного проще и воспринимается всегда легче. Но что делать, например, с радиоволнами или световыми волнами?
Радиоволны – это колебания электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Напомним, что и свет относится к электромагнитным волнам.
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А средой является поле. И тут, казалось бы, всё также просто и понятно.
Но перенесемся в космос. Тут нет как таковой среды! Значит волне распространяться негде :) Не выполняется условие существования волны.
П.с. Отметим, что это касается всех случаев, когда мы имеем дело с "невидимыми средами".
Что будет с волнами в космосе?
Вот, вроде бы, и нет там ничего. Сплошной вакуум. А радиосвязь работает и свет передается! Ведь мы видим свет от звёзд сквозь миллионы километров. Почему?
Здесь мы ступаем на тернистый путь.
Это сложная научная проблема, а как такового правильного ответа нет.
Чуть выше мы сказали, что для волны, в первую очередь, нужна среда, которая сможет колебаться. Для волны в море такой средой является вода. Наличие среды есть одно из условий существования как таковой волны в классическом её понимании.
Поэтому, первая теория возможности распространения волны в космосе строится на том, что вакуум в космическом пространстве вовсе не пуст. По мнению некоторых ученых, средой, заполняющей это пространство, является эфир.
Эфир в космосе
Эфир - это особый род пространства. Вопрос его существования спорный и далеко не все разделяют теорию существования эфира. Многие учёные её жестоко критикуют. Но и утверждать, что вакуум - есть абсолютная пустота, готовы далеко не все. Эйнштейн, по сути дела, "запретил" эфир :)
Из экспериментальных данных следует, что вакуум заполнен электрическими зарядами, находящимися в связанном состоянии. Этакая кристаллическая решетка пространства.
Вот вам и среда для колебаний. Это и есть эфир в широком смысле этого слова.
Физический вакуум
Ещё есть так называемый физический вакуум или современный вариант эфира. Это понятие переходит в теорию квантового поля. Что такое физический вакуум? Это некая среда, насыщенная виртуальными частицами. Они, вроде как, и могут являться носителем волны. Правда вот виртуальные частицы представить себе очень сложно.
Корпускулярно-волновой дуализм
Ещё одной теорией передачи волны в вакууме является наличие так называемого корпускулярно-волнового дуализм. Это означает, что волна может вести себя и как волна, и как частица. Например, такими свойствами обладает световая волна. Ну а если есть частицы, то что мешает им колебаться.
Колебания потока энергии
Ещё одной средой для распространения волны является поток энергии. По одной из теорий, энергия может неограниченно передаваться из одной точки в другую. Это направление активно прорабатывал Тесла. Предполагается, что такой поток может быть "носителем" волны.
Подведем итог
Получается, что волна - это процесс передачи энергии без передачи самого вещества, существующая в том случае, если есть среда для колебания.
Когда мы говорим про космическое пространство и про те же радиоволны, скорее всего, правильно будет использовать классическое определение волны.
Это будет тоже самое распространение энергии без распространения вещества. Правда вот среда для его распространения - это физический вакуум, определение которого само требует написания отдельной статьи.
Очень надеюсь, что материал вам понравился! :) Подписывайтесь на канал, нажимайте лайк и всем спасибо. Обязательно смотрите Инженерные знания!
-----------------