Какое основное свойство всех волн

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!

—————–

Обязательно прочитайте на нашем канале:

Источник

О силе волны судят по её амплитуде. В отличие от колебания амплитуда волны — скалярная величина.

Но для количественной характеристики переносимой волной энергии используется вектор плотности потока энергии I. Его направление совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению вектора. При небольших амплитудах:

I = k A^2, где A — амплитуда; k — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, где эта волна распространяется.

Классификации волн

Имеется множество классификаций волн, различающиеся по своей физической природе, по конкретному механизму распространения, по среде распространения и т. п.

В зависимости от физической среды, в которой распространяются волны, их свойства различны и поэтому различают:

электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи);
упругие волны (звук, сейсмические волны);
волны в плазме;
гравитационные волны;
объёмные волны (распространяющиеся в толще среды);
волны на поверхности жидкости.

По отношению к направлению колебаний частиц среды, в которой распространяется волна, выделяют:

продольные волны (волны сжатия, P-волны) — волна распространяется параллельно колебаниям частиц среды (звук);
поперечные волны (волны сдвига, S-волны) — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред);
волны смешанного типа.

По виду фронта волны (поверхности равных фаз):

плоская волна — плоскости фаз перпендикулярны направлению распространения волны;
сферическая волна — поверхностью фаз является сфера;
цилиндрическая волна — поверхность фаз напоминает цилиндр.

Продольные волны:	Поперечные волны:
а) плоская;	а) плоская;
б) сферическая.	б) сферическая.

По демонстрируемым волнами физическим проявлениям:

линейные волны — волны с небольшой амплитудой, свойства которых описываются простыми линейными зависимостями;
нелинейные волны — волны с большими амплитудами, что приводит к возникновению совершенно новых эффектов и существенно изменяет характер уже известных явлений;
солитоны (уединённые волны);
ударные волны или нормальные разрывы.

По постоянству во времени различают:

одиночная волна — короткое одиночное возмущение (солитоны);

волновой пакет — это ряд возмущений, ограниченных во времени с перерывами между ними. Одно беспрерывное возмущение такого ряда называется цуг волн. В теории волновой пакет описывается как сумма всевозможных плоских волн, взятых с определёнными весами. В случае нелинейных волн, форма огибающей волнового пакета эволюционирует с течением времени;

Подобно сложным колебаниям, волновые цуги и негармонические волны могут быть представлены в виде суммы (суперпозиции) синусоидальных волн разных частот. Когда фазовые скорости всех этих волн одинаковы, то вся их группа (волновой пакет) движется с одной скоростью.
Если же фазовая скорость волны зависит от её частоты w, наблюдается дисперсия – волны различных частот идут с разной скоростью. Нормальная, или отрицательная дисперсия тем больше, чем выше частота волны. За счет дисперсии, например, луч белого света в призме разлагается в спектр, в каплях воды – в радугу. Волновой пакет, который можно представить как набор гармонических волн, лежащих в диапазоне w0 ± Dw, из-за дисперсии расплывается. Его форма – огибающая амплитуд компонент цуга – искажается, но перемещается в пространстве со скоростью vгр, называемой групповой скоростью. Если при распространении волнового пакета максимумы волн, его составляющих, движутся быстрее огибающей, фазовая скорость сигнала выше групповой: сф > vгр. При этом в хвостовой части пакета за счет сложения волн возникают все новые максимумы, которые передвигаются вперед и пропадают в его головной части. Примером нормальной дисперсии служат среды, прозрачные для света – стекла и жидкости.
В ряде случаев наблюдается также аномальная (положительная) дисперсия среды, при которой групповая скорость превышает фазовую: vгр > сф, причем возможна ситуация, когда эти скорости направлены в противоположные стороны. Максимумы волн появляются в головной части пакета, перемещаются назад и исчезают в его хвосте.

Волновые уравнения

Математическое описание волн основывается на представлении о них, как о пространственно распространяющихся колебаниях, и в общем виде записывается:

~mathbf u = mathbf uleft(mathbf r,tright)

где u — отклонение от некоего среднего положения в точке r во время t.

Более определённый вид уравнения зависит от типа волны.

Гармоническая волна

Изменение колеблющейся величины u для гармонически распространяющейся волны в любой точке описывается формулой:

u left( r,t right) = A sin {2 pi t over T} или u left( r,t right) = A cos {2 pi t over T}

где A — амплитуда, t — время, а T — период волны.

В любой другой точке, расположенной на расстоянии r от первой в направлении распространения волны, изменение u происходит с опозданием на время t1:

$u left( r,t right) = A sin {2 pi over T} left( t - t_1 right) = A sin {2 pi over T} left( t - {r over c} right)$ где c — скорость распространения волны в данной среде.

Лучи волны

Лучом волны называется линия, направление которой совпадает с направлением потока энергии в этой волне в каждой её точке. Например, плоской волне (см. раздел «Классификация волн») соответствует пучок параллельных прямых лучей; сферической волне — радиально расходящийся пучок лучей.

Расчёт формы лучей при небольшой длине волны — по сравнению с препятствиями, поперечными размерами фронта волны, расстояниями до схождения волн и т. п. — позволяет упростить сложный расчёт распространения волны. Это применяется в геометрической акустике и геометрической оптике.

Происхождение волн

Волны могут генерироваться различными способами.

Генерация локализованным источником колебаний (излучателем, антенной).
Спонтанная генерация волн в объёме при возникновении гидродинамических неустойчивостей. Такую природу могут иметь, например, волны на воде при достаточно большой скорости ветра, дующего над водной гладью.
Переход волн одного типа в волны другого типа. Например, при распространении электромагнитных волн в кристаллическом твёрдом теле могут генерироваться звуковые волны.

Общие свойства волн

Распространение в однородных средах

При распространении волн изменения их амплитуды и скорости в пространстве и времени зависят от свойств анизотропности среды, сквозь которую проходят волны.

Чаще волны в некоторой среде затухают, что связано с диссипативными процессами внутри среды. Но в случае некоторых специальным образом подготовленных метастабильных сред амплитуда волны может, наоборот, усиливаться (пример: генерация лазерного излучения).

На практике монохроматические волны встречаются очень редко. Поэтому наряду с фазовой скоростью волны используется и понятие групповой скорости, то есть скорость «центра тяжести» волнового пакета.

Групповая и фазовая скорости совпадают только для линейных волн. Для нелинейных волн групповая скорость может быть как больше, так и меньше фазовой скорости. Однако когда речь идёт о скоростях, близких к скорости света, проявляется заведомое неравноправие между групповой и фазовой скоростями. Фазовая скорость не является ни скоростью движения материального объекта, ни скоростью передачи данных, поэтому она может превышать скорость света, не приводя при этом ни к каким нарушениям теории относительности. Групповая же скорость характеризует скорость движения сгустка энергии, переносимой волновым пакетом, и потому не должна превышать скорость света. Однако при распространении волны в метастабильной среде удаётся в определённых случаях добиться групповой скорости, превышающей скорость света.

Поскольку волна переносит энергию и импульс, то её можно использовать для передачи информации. При этом возникает вопрос о максимально возможной скорости передачи информации с помощью волн данного типа (чаще всего речь идёт об электромагнитных волнах). При этом скорость передачи информации никогда не может превышать скорости света, что было подтверждено экспериментально даже для волн, в которых групповая скорость превышает скорость света.

Пространственные размеры волны

Когда говорят о пространственном размере волны, то имеют в виду размер той области пространства, где амплитуду колебания нельзя считать (в рамках рассматриваемой задачи) пренебрежимо малой. Большинство волн могут, теоретически, обладать сколь угодно большим размером, как в направлении движения, так и поперёк него. В реальности же все волны обладают конечными размерами. Продольный размер волны, как правило, определяется длительностью процесса излучения волны. Поперечный же размер определяется рядом параметров: размером излучателя, характером распространения волны (например, плоская, сферически расходящаяся волна и т. д.).

Некоторые виды волн, в частности, солитоны, являются ограниченными волнами по построению.

Поляризация волн

Если в поперечной волне нарушается симметрия распределения возмущений (например, напряжённость электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения, то мы имеем дело с поляризованной волной. В продольной волне поляризация возникнуть не может, т. к. распространение возмущения всегда совпадает с направлением распространения волны.

Подробней на эту тему см. статью «Поляризация волн».

Взаимодействие с телами и границами раздела сред

Если на пути волны встречается какой-либо дефект среды, тело или граница раздела двух сред, то это приводит к искажению нормального распространения волны. В результате этого часто наблюдаются следующие явления:

отражение
преломление
рассеивание
дифракция

Конкретные эффекты, возникающие при этих процессах, зависит от свойств волны и характера препятствия.

Наложение волн

Излучения с разной длиной волны, но одинаковые по физической природе, могут взаимодействовать друг с другом, интерферировать. При этом могут возникнуть следующие частные эффекты:

стоячие волны;
бегущие волны;
биения — периодическое уменьшение и увеличение амплитуды суммарного излучения;
волновой пакет — образующиеся максимумы амплитуды имеют прерывистое распределение (волновой пакет Гаусса);
эффект Доплера — изменение длины и амплитуды волн при движении приёмника или источника излучения.

Конечный результат проявления от встречи волн зависит от их свойств: физической природы, когерентности, поляризации и т. д.

Направления исследований волн

Получение точных решений для различных нелинейных волн.
Распространение волн в случайных средах.

Примечания

↑ Горелик Г. С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. — М.: Гос. издат. ф.— м. лит-ры, 1959, с. 144.
↑ Строго говоря, это равенство справедливо только для гармоничных волн.

Литература

Крауфорд Ф. Берклеевский курс физики, том 3, Волны.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Курс теоретической физики, том 6, Гидродинамика.издание?
Уизем, Дж. Линейные и нелинейные волны — М.: Мир, 1977.
Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 85—88. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)

См. также

Волны на воде

Wikimedia Foundation.
2010.

Синонимы:

Смотреть что такое “Волны” в других словарях:

Волны — Волны: а одиночная волна; б цуг волн; в бесконечная синусоидальная волна; l длина волны. ВОЛНЫ, изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Основное свойство всех волн, независимо от их… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ВОЛНЫ — изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Наиболее важные и часто встречающиеся виды В. упругие волны, волны на поверхности жидкости и электромагнитные волны. Частными случаями упругих В.… … Физическая энциклопедия
ВОЛНЫ — ВОЛНЫ, по определению основателя волновой теории света Юнга (Joung, 1802), представляют такое колебательное движение, к рое распространяется через все точки среды, при чем после совершения колебания частицы среды прекращают свое движение.… … Большая медицинская энциклопедия
ВОЛНЫ — возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. Наиболее часто встречаются упругие волны, напр., звуковые, волны на поверхности жидкости и электромагнитные волны. Несмотря на… … Большой Энциклопедический словарь
ВОЛНЫ — направленные возмущения в какой либо среде, движущиеся с конечной скоростью и переносящие энергию. Характерной их особенностью является то, что перенос энергии происходит без переноса вещества (хотя последний и может иметь место как побочное… … Геологическая энциклопедия
волны — см. волнение 2 Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова. 2011. волны сущ. • волнение • зыбь … Словарь синонимов
Волны — возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. Наиболее часто встречаются упругие волны (морские, звуковые и т. п.). Электромагнитные волны возбуждаются атомами, молекулами,… … Морской словарь
волны — алые (Городецкий); аметистовые (В.Иванов); быстрые (Лермонтов, Вербицкая); гибкие (Горький); грозные (Козлов); дремотные (Надсон, Рылеев); душистые (Надсон); застывшие (Бальмонт); злые (Андреев); золотые (Мережковский); изумрудно пенные (Белый);… … Словарь эпитетов
ВОЛНЫ — (1) (см.), распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества; (2) В. де Бройля проявляются при движении любой микрочастицей и отражают одновременное сочетание волновых и корпускулярных свойств… … Большая политехническая энциклопедия
Волны — Здесь описаны В.: а) водяные, б) воздушные звуковые, в) световые, г) электрические волны и д) математическая теория В. А) Волны в воде обыкновенно являются следствием косвенного удара ветра о воду. Поверхность воды от этого делается вогнутой, но… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Источник