Фи́зика колеба́ний и волн — раздел общей физики, изучающий физические явления, характеризующиеся циклическим изменением физических величин во времени и в пространстве[1].
Это — одна большая часть школьного курса физики, изучается после электромагнетизма (рассматривая механические и электромагнитные процессы вместе) или сразу с механикой (в связи с тем, что теория колебаний и волн развивается на основе кинематики и динамики, что охватывает механика)[2][3].
Циклические процессы
В колебательных и волновых процессах численные значения физических величин циклически изменяются. Для упрощения анализа физических явлений в пространственных и временных координатах можно рассматривать проекции. Если зафиксировать какой-либо момент времени, волновой характер проявляется в определённом распределении характеризующей величины в пространстве, в котором наблюдаемо чередование максимумов и минимумов физической величины. Если, напротив, зафиксировать пространственные координаты, локально наблюдаемая физическая величина совершает колебания.
Волновой циклический процесс состоит из циклов, которые повторяются в пространстве и времени. Колебания — это циклический процесс, в котором циклы повторяются во времени. Например, проекция точки, которая движется по единичной окружности, совершает колебания на отрезке [-1,1]. Соответствие между этими двумя циклическими процессами (движением по окружности и движением проекции) используют для графического отображения колебаний. Отображение колебаний с помощью вращающегося вектора амплитуды называется методом векторных диаграмм[4].
Колебания
Колебаниями называются процессы, которые повторяются (во времени), так, что то в одну сторону, то в противоположную сторону меняется физическая величина, характеризующая явление[2]. В зависимости от физической природы процесса, различают:
- Механические колебания:Колебания пружины, колебания струны (и мембраны), колебания маятника;
Колебания поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, колебания Земной коры во время землетрясений;
Колебания давления воздуха во время распространения звука, волнение моря и качка корабля. - Электромеханические колебания: колебания мембраны телефона, колебания диффузора электродинамического громкоговорителя[4].
Колебания механической природы и электромагнитной природы подчиняются одинаковым количественным законам. Раздел физики, в котором колебания различной природы рассматривают с одной точки зрения, называется физикой колебаний[2].
Система, совершающая колебания, называется колебательной системой[4]. Основные свойства колебательных систем:
- Как только колебательная система оказывается выведенной из устойчивого состояния равновесия, появляется сила, возвращающая систему в устойчивое состояние;
Если колебательная система в начальный момент времени находится в устойчивом состоянии равновесия, колебания не происходят пока на систему не подействует внешняя сила. Если колебательная система выведена из этого состояния, перечисленные свойства приводят к тому, что в системе происходят колебания, которые какое-то время продолжаются.
Колебания, которые происходят без переменных внешних воздействий на колебательную систему, называются свободными колебаниями. В противном случае — колебания называются вынужденными колебаниями[4].
Когда система одновременно участвует в разных колебательных процессах, получение закона результирующих колебаний системы называется сложением колебаний. Гармонические колебания двух колебательных процессов называются когерентными, если разность их фаз не зависит от времени. В сложении некогерентных колебаний получаются негармонические результирующие колебания. Для сложения двух одинаково направленных гармонических колебаний можно использовать метод векторных диаграмм[4].
Непериодические колебания в общем случае имеют сплошной спектр частот. В гармоническом анализе эти сложные колебания представляются в виде интеграла Фурье[4].
Некоторые непериодические колебания (они называются почти периодическими, квазипериодическими) имеют дискретный спектр частот. Но эти циклические частоты выражаются иррациональными числами[4].
Волны
Различают 2 вида волн: упругие волны и электромагнитные волны.
Упругими волнами называются механические возмущения (деформации), которые распространяются в упругой среде. Тело называется упругим, если его деформации, которые появляются под влиянием внешних воздействий, полностью исчезают после прекращения этих воздействий.
Упругие волны в неограниченной среде распространяются, в результате вовлечения в вынужденные колебания всё более и более удалённых от источника волн частей среды. За колеблющиеся частицы сплошной среды, в которой распространяются упругие волны, принимают небольшие элементы объёма.
Упругая волна называется продольной, если частицы среды колеблются в направление распространения волны. Пример — звуковые волны в воздухе (это — упругие волны малой интенсивности).
Упругая волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Пример — волны, которые распространяются вдоль струн музыкальных инструментов.
Особое место занимают поверхностные волны. Имеются в виду волны на поверхности жидкости (возмущения поверхности жидкости). В поверхностных волнах частицы жидкости одновременно совершают и продольные, и поперечные колебания[4].
Бегущая волна
Бегущей волной называется волна, которая, в отличие от стоячей волны, переносит энергию в пространстве. Уравнением бегущей волны называется зависимость величин, характеризующих колебания среды в распространении волны, от координат и времени.
Упругая волна называется синусоидальной, или гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими. Частота этих колебаний называется частотой волны.
Волновой поверхностью, или волновым фронтом, называется геометрическое место точек с одинаковой фазой колебаний. Волна называется плоской, если её поверхности представляют собой совокупность параллельных плоскостей. Волна называется сферической, если её поверхности представляют собой концентрические сферы; центр этих сфер называется центром волны