Плоскость, проходящая через луч, вдоль которого распространяется волна, и через направление колебаний частиц в ней называется плоскостью поляризации.

Эта плоскость может оставаться одной и той же при перемещении вдоль луча, в таком случае волна называется линейно поляризованной, а может как то менять свою ориентацию в пространстве, например, вращаться. Как это получается легко понять, если заставить человечка на рис. 2.1 не только болтать рукой вверх-вниз, но еще и вращать ею по кругу, изображая пропеллер. Тогда физики с умным видом говорят, что плоскость поляризации вращается. Из рис.2.1 в таком случае, в частности, очевидно, что после прохода такой волны сквозь первый заборчик плоскость поляризации вращаться перестанет, и беспрепятственно пройдет через второй заборчик.

Устройство вроде первого заборчика, которое «вырезает» из произвольной волны волну с линейной поляризацией, называется поляризатор, а вроде второго заборчика анализатор.

При изучении волн в упругих средах мы больше не будем сталкиваться с понятием поляризации, однако в оптике оно применяется очень широко. Но об этом позднее.

Условимся называть формой волны график, показывающий распределение в среде колеблющейся величины вдоль оси х в данный момент времени. На рис. 2.2а показана волна, имеющая в момент t синусоидальную форму (сплошная линия); с течением времени такая волна в однородной и изотропной среде смещается, сохраняя свою форму (пунктирная синусоида). Для несинусоидальных волн возможны два случая; когда: 1) форма волны при смещении сохраняется (рис. 2.2б); 2) при распространении в среде волна деформируется (рис. 2.2в).

Допустим, что источник колебаний вызывает в среде не простую синусоидальную волну, а некоторое множество таких волн, имеющих различные частоты, фазы и амплитуды. В результате сложения этих синусоидальных колебаний (будем называть их элементарными) в среде распространится некоторый сложный процесс. Если среда не обладает дисперсией, т. е. элементарные волны всех частот распространяются в ней с одинаковыми скоростями, то за некоторое время Δt каждая элементарная волна сместится на одну и ту же величину сΔt. Поэтому в момент t+Δt результат сложения «смещенных» синусоид оказывается таким же, как и в момент времени t.

Если же среда обладает дисперсией, т. е. скорость распространения колебаний в этой среде различна для различных частот, то элементарные синусоиды за время Δt в зависимости от своих частот получат различные смещения, вследствие чего результат их сложения в момент t+ Δt будет иной, чем в момент t. Таким образом, в среде с дисперсией сложная волна (которую всегда можно представить как совокупность синусоидальных волн с различными частотами, фазами и амплитудами) с течением времени изменяет свою форму.

В среде могут распространяться одновременно колебания, исходящие от разных центров колебаний. Если две различные системы волн, исходящих из разных источников, перекрываются в некоторой области, а затем снова расходятся, то дальше каждая из них распространяется так, как если бы она не встречала на своем пути другую. Этот принцип независимости распространения волн известен под названием принципа суперпозиции, он является весьма характерным для распространения волновых процессов.

Принцип суперпозиции легко проверить, бросив в воду два камня. После того как кольцевые волны, возникшие около мест падения камней, проникнув друг через друга, снова разойдутся, они будут представлять собою по-прежнему правильные круги с центрами в местах падения камней. Этот факт был замечен еще Леонардо да-Винчи, который писал: «В обширную и спокойную гладь воды брось одновременно два камешка на некотором расстоянии один от другого. Ты увидишь, что вокруг мест, куда упали камни, образуются две группы круговых волн; разбегаясь, они встречаются между собою — и тогда круги каждой группы проникают одни сквозь другие».

В области перекрытия волн колебания налагаются друг на друга, происходит сложение волн, в результате чего колебания в одних местах получаются более сильные, а в других — более слабые. Такое явление называется интерференция, и подробнее мы познакомимся с ним, когда будем говорить про оптику. В каждой точке среды результирующее колебание будет суммой всех колебаний, дошедших до данной точки.

Особенный интерес представляет тот случай, когда источники колебаний колеблются с одинаковой частотой, имеют одинаковые направления колебаний и одинаковые фазы или постоянную разность фаз. Такие источники называются когерентными. Как мы увидим ниже, в этом случае результирующее колебание в каждой точке среды имеет постоянную во времени амплитуду, зависящую от расстояний точки среды от источников колебаний. Такого рода сложение колебаний называется интерференцией от когерентных источников.