Aby sme pochopili, ako sa vibrácie šíria v médiu, začnime z diaľky. Už ste niekedy relaxovali na brehu mora a pozorovali vlny, ktoré sa metodicky valili na piesok? Nádherný pohľad, však? Ale okrem potešenia môžete v tomto predstavení nájsť aj nejaký úžitok, ak budete trochu rozmýšľať a uvažovať. Uvažujme aj my, aby sme prospeli našej mysli.

Čo sú vlny?

Všeobecne sa uznáva, že vlny sú pohyb vody. Vznikajú v dôsledku vetra fúkajúceho nad morom. Ukazuje sa však, že ak sú vlny pohybom vody, vietor fúkajúci jedným smerom by mal jednoducho predbehnúť väčšinu morská voda z jedného konca moru na druhý. A potom niekde, povedzme, pri pobreží Turecka by voda išla niekoľko kilometrov od pobrežia a na Kryme by bola povodeň.

A ak dva rôzne vetry fúkajú nad tým istým morom, potom niekde môžu vytvoriť obrovskú dieru priamo vo vode. To sa však nedeje. Pri hurikánoch samozrejme dochádza k zaplavovaniu pobrežných oblastí, no more jednoducho naráža svojimi vlnami na breh, čím ďalej, tým vyššie, no samo sa nepohne.

V opačnom prípade by moria mohli pokračovať v cestovaní po celej planéte spolu s vetrom. Preto sa ukazuje, že voda sa nehýbe s vlnami, ale zostáva na mieste. Čo sú potom vlny? Aká je ich povaha?

Sú šírenie kmitov vlnami?

Oscilácie a vlny sa vyučujú v 9. ročníku fyziky v jednej téme. Je logické predpokladať, že ide o dva javy rovnakej povahy, že spolu súvisia. A toto je úplná pravda. Šírenie vibrácií v médiu je vlnenie.

Je veľmi ľahké to jasne vidieť. Jeden koniec lana priviažte k niečomu pevnému, natiahnite druhý koniec a potom ním mierne zatraste.

Uvidíte vlny bežať po lane z vašej ruky. Zároveň sa samotné lano od vás nevzďaľuje, kolíše. Po nej sa šíria vibrácie zo zdroja a energia týchto vibrácií sa prenáša.

Preto vlny vrhajú predmety na breh a padajú silou, sami prenášajú energiu. Samotná látka sa však nehýbe. More zostáva na svojom správnom mieste.

Pozdĺžne a priečne vlny

Existujú pozdĺžne a priečne vlny. Vlny, v ktorých dochádza k osciláciám v smere ich šírenia, sa nazývajú pozdĺžne. A priečne vlny sú vlny šíriace sa kolmo na smer vibrácií.

Čo myslíte, aké vlny malo lano alebo morské vlny? V našom príklade lana boli prítomné priečne vlny. Naše vibrácie smerovali hore a dole a vlna sa šírila po lane, teda kolmo.

Aby sme získali pozdĺžne vlny v našom príklade, musíme nahradiť lano gumenou šnúrou. Po nehybnom potiahnutí kábla ho musíte natiahnuť prstami na určité miesto a uvoľniť ho. Natiahnutá časť šnúry sa skráti, ale energia tohto natiahnutia a kontrakcie sa bude nejaký čas prenášať ďalej pozdĺž šnúry vo forme vibrácií.

Pevné, kvapalné, plynné telesá veľké veľkosti možno považovať za médium pozostávajúce z jednotlivých častíc vzájomne interagujúcich prostredníctvom komunikačných síl. Excitácia kmitov častíc média na jednom mieste spôsobuje vynútené kmity susedných častíc, ktoré následne vybudia kmity ďalších atď.

Proces šírenia vibrácií v priestore sa nazýva vlna.

Vezmime si dlhú gumenú šnúru a prinútime jeden koniec šnúry, aby vykonával vynútené vibrácie vo vertikálnej rovine. Elastické sily pôsobiace medzi v samostatných častiachšnúra povedie k šíreniu vibrácií pozdĺž šnúry a uvidíme vlnu prebiehajúcu pozdĺž šnúry.

Ďalším príkladom mechanických vĺn sú vlny na hladine vody.

Keď sa vlny šíria v šnúre alebo na hladine vody, vibrácie vznikajú kolmo na smer šírenia vĺn. Vlny, v ktorých dochádza k vibráciám kolmo na smer šírenia, sa nazývajú priečne vlny.

Pozdĺžne vlny.

Nie všetky vlny je možné vidieť. Po údere kladivom o vetvu ladičky počujeme zvuk, hoci vo vzduchu nevidíme žiadne vlny. Pocit zvuku v našich sluchových orgánoch nastáva, keď sa tlak vzduchu pravidelne mení. Vibrácie ramena ladičky sú sprevádzané periodickým stláčaním a riedením vzduchu v jeho blízkosti. Tieto procesy kompresie a riedenia sa šíria

vo vzduchu všetkými smermi (obr. 220). Sú to zvukové vlny.

Keď sa zvuková vlna šíri, častice média kmitajú v smere šírenia kmitov. Vlny, v ktorých dochádza k osciláciám v smere šírenia vĺn, sa nazývajú pozdĺžne vlny.

Pozdĺžne toky sa môžu vyskytovať v plynoch, kvapalinách a pevné látky; priečne vlny sa šíria v pevných látkach, v ktorých vznikajú elastické sily pri šmykovej deformácii alebo vplyvom povrchového napätia a gravitácie.

V priečnych aj pozdĺžnych vlnách nie je proces šírenia: kmitania sprevádzaný prenosom hmoty v smere šírenia vlny. V každom bode priestoru častice oscilujú iba vzhľadom na svoju rovnovážnu polohu. Ale šírenie kmitov je sprevádzané prenosom energie kmitania z jedného bodu v médiu do druhého.

Vlnová dĺžka.

Rýchlosť šírenia vlny. Rýchlosť, ktorou sa vibrácie šíria priestorom, sa nazýva rýchlosť vĺn. Vzdialenosť medzi bodmi najbližšie k sebe, kmitajúcimi v rovnakých fázach (obr. 221), sa nazýva vlnová dĺžka. Vzťah medzi vlnovou dĺžkou K, rýchlosťou vlny a periódou kmitania Г je daný výrazom

Pretože rýchlosť vlny súvisí s frekvenciou kmitov rovnicou

Závislosť rýchlosti šírenia vĺn od vlastností prostredia.

Pri vzniku vĺn je ich frekvencia určená frekvenciou kmitov zdroja vĺn a rýchlosť závisí od vlastností média. Preto vlny rovnakej frekvencie majú v rôznych médiách rôzne dĺžky.

Nech je oscilujúce teleso v médiu, v ktorom sú všetky častice prepojené. Častice média, ktoré sú s ním v kontakte, začnú vibrovať, v dôsledku čoho dochádza k periodickým deformáciám (napríklad stlačenie a napätie) v oblastiach média susediacich s týmto telesom. Pri deformáciách vznikajú v prostredí elastické sily, ktoré majú tendenciu vrátiť častice média do pôvodného rovnovážneho stavu.

Periodické deformácie, ktoré sa objavia na určitom mieste v elastickom prostredí, sa teda budú šíriť určitou rýchlosťou v závislosti od vlastností média. V tomto prípade nie sú častice média vťahované vlnou do translačného pohybu, ale vykonávajú oscilačné pohyby okolo svojich rovnovážnych polôh, iba sa prenáša elastická deformácia z jednej časti média na druhú.

Proces šírenia kmitavého pohybu v médiu sa nazýva vlnový proces alebo jednoducho mávať. Niekedy sa táto vlna nazýva elastická, pretože je spôsobená elastickými vlastnosťami média.

V závislosti od smeru kmitov častíc vzhľadom na smer šírenia vĺn sa rozlišujú pozdĺžne a priečne vlny.Interaktívna ukážka priečnych a pozdĺžnych vĺn

Pozdĺžna vlna – Ide o vlnu, pri ktorej častice média oscilujú v smere šírenia vlny.

Na dlhej mäkkej pružine možno pozorovať pozdĺžnu vlnu veľký priemer. Zasiahnutím jedného z koncov pružiny si môžete všimnúť, ako sa postupné kondenzácie a zriedenia jej závitov rozšíria po celej jari a budú bežať jeden po druhom. Na obrázku bodky znázorňujú polohu závitov pružín v pokoji a potom polohy závitov pružín v po sebe nasledujúcich časových intervaloch rovnajúcich sa štvrtine periódy.

Teda opozdĺžna vlna v posudzovanom prípade predstavuje striedavé kondenzácie (Сг) a riedenie (raz) pružinové cievky.
Ukážka šírenia pozdĺžnej vlny

Priečna vlna - Ide o vlnenie, pri ktorom častice média kmitajú v smeroch kolmých na smer šírenia vlny.

Pozrime sa bližšie na proces vzdelávania priečne vlny. Zoberme si ako model reálnej šnúry reťaz guľôčok (hmotných bodov), ktoré sú navzájom spojené pružnými silami. Obrázok znázorňuje proces šírenia priečnej vlny a ukazuje polohy loptičiek v po sebe nasledujúcich časových intervaloch rovnajúcich sa štvrtine periódy.

V počiatočnom okamihu (t 0 = 0) všetky body sú v rovnovážnom stave. Potom spôsobíme poruchu vychýlením bodu 1 z rovnovážnej polohy o hodnotu A a 1. bod začne kmitať, 2. bod, elasticky spojený s 1., sa dostane do kmitavého pohybu o niečo neskôr, 3. ešte neskôr atď. . Po štvrtine periódy oscilácie ( t 2 = T 4 ) sa rozšíri do 4. bodu, 1. bod sa stihne odchýliť zo svojej rovnovážnej polohy o maximálnu vzdialenosť rovnajúcu sa amplitúde kmitania A. Po uplynutí pol periódy sa 1. bod pohybom nadol vráti do rovnovážnej polohy. 4. sa odchýlil od rovnovážnej polohy o vzdialenosť rovnajúcu sa amplitúde kmitov A, vlna sa rozšírila do 7. bodu atď.

Kým t5 = T Prvý bod po dokončení úplného kmitania prechádza rovnovážnou polohou a oscilačný pohyb sa rozšíri do 13. bodu. Všetky body od 1. do 13. sú umiestnené tak, že tvoria ucelenú vlnu pozostávajúcu z depresie A hrebeň

Ukážka šírenia šmykovej vlny

Typ vlny závisí od typu deformácie média. Pozdĺžne vlny sú spôsobené tlakovo-ťahovou deformáciou, priečne vlny sú spôsobené šmykovou deformáciou. Preto v plynoch a kvapalinách, v ktorých elastické sily vznikajú len pri stlačení, je šírenie priečnych vĺn nemožné. V tuhých látkach vznikajú elastické sily pri stlačení (ťahu) aj šmyku, preto sa v nich môžu šíriť pozdĺžne aj priečne vlny.

Ako ukazujú obrázky, pri priečnych aj pozdĺžnych vlnách každý bod média kmitá okolo svojej rovnovážnej polohy a posúva sa od nej najviac o amplitúdu a stav deformácie média sa prenáša z jedného bodu média na ďalší. Dôležitým rozdielom medzi elastickými vlnami v médiu a akýmkoľvek iným usporiadaným pohybom jeho častíc je, že šírenie vĺn nie je spojené s prenosom hmoty v médiu.

V dôsledku toho sa pri šírení vĺn prenáša energia elastickej deformácie a hybnosť bez prenosu hmoty. Energia vlny v elastickom prostredí pozostáva z kinetickej energie kmitajúcich častíc a potenciálnej energie elastickej deformácie prostredia.

Prostredie sa nazýva elastické, ak medzi jeho časticami existujú interakčné sily, ktoré bránia akejkoľvek deformácii tohto prostredia. Keď akékoľvek teleso kmitá v pružnom prostredí, pôsobí na častice média susediace s telesom a spôsobuje, že vykonávajú nútené oscilácie. Prostredie v blízkosti kmitajúceho telesa sa deformuje a vznikajú v ňom elastické sily. Tieto sily pôsobia na častice média, ktoré sa čoraz viac vzďaľujú od telesa, čím ich uvoľňujú z ich rovnovážnej polohy. Postupne sa do kmitavého pohybu zapájajú všetky častice média.

Telesá, ktoré spôsobujú elastické vlny šíriace sa v médiu, sú zdroje vĺn(oscilačné ladičky, struny hudobných nástrojov).

Elastické vlny sa nazývajú mechanické poruchy (deformácie) spôsobené zdrojmi, ktoré sa šíria v elastickom prostredí. Elastické vlny sa nemôžu šíriť vo vákuu.

Pri popise vlnového procesu sa médium považuje za pevné a spojité a jeho častice sú nekonečne malé objemové prvky (v porovnaní s vlnovou dĺžkou dosť malé), v ktorých je veľké množstvo molekuly. Keď sa vlna šíri v spojitom prostredí, častice média zúčastňujúce sa na osciláciách majú v každom okamihu určité fázy oscilácie.

Formuje sa geometrické ťažisko bodov v médiu oscilujúcich v rovnakých fázach vlnová plocha.

Vlnová plocha oddeľujúca kmitavé častice média od častíc, ktoré ešte nezačali kmitať, sa nazýva vlnoplocha Podľa tvaru vlnoplochy sa rozlišujú rovinné vlny, sférické vlny a pod.

Čiara vedená kolmo na čelo vlny v smere šírenia vlny sa nazýva lúč. Lúč udáva smer šírenia vlny.;;

IN rovinná vlna vlnové plochy sú roviny kolmé na smer šírenia vĺn (obr. 15.1). Rovinné vlny je možné vytvárať na hladine vody v plochom kúpeli kmitaním plochej tyče.

V sférickej vlne sú vlnové plochy sústredné gule. Guľová vlna môže byť vytvorená pulzovaním gule v homogénnom elastickom prostredí. Takáto vlna sa šíri rovnakou rýchlosťou vo všetkých smeroch. Lúče sú polomery gúľ (obr. 15.2).