Волновые процессы. Виды волн

Волновым процессом (волной) называется процесс распространения возмущения (изменения состояния) в пространстве. Распространение волны возможно при наличии какого-либо механизма передачи возмущения от одной точки пространства к другой. В зависимости от механизма передачи возмущения различают следующие наиболее важные виды волн: упругие волны, волны на поверхности жидкости, поверхностные акустические волны и электромагнитные волны. Общая теория относительности допускает существование гравитационных волн, которые распространяются за счет гравитационного взаимодействия, но пока их существование экспериментально не доказано.

Упругими волнами называются механические возмущения (деформации), распространяющиеся в упругой среде. Упругие волны с большой амплитудой называются ударными волнами, волны с малыми амплитудами (иначе – волны малых возмущений) – звуковыми волнами, или акустическими. Звуковые волны являются одним из основных способов восприятия человеком информации. Человек слышит звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Неслышимые звуковые волны с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком, выше 20 кГц – ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от до Гц – гиперзвуком.

Волны на поверхности жидкости, неупругие по своей природе, образуются и распространяются в результате действия сил поверхностного натяжения и тяжести. В этих волнах частицы жидкости одновременно совершают поперечные и продольные колебания, описывая круговые, эллиптические или более сложные траектории (рис. 22.1).

Поверхностными акустическими волнами называются звуковые волны, свободно распространяющиеся вдоль поверхности твердого тела. Эти волны могут существовать наряду с продольными и поперечными. Поверхностные акустические волны были предсказаны Рэлеем.

Между поверхностными акустическими волнами и волнами на поверхности жидкости имеется много общего. В частности, форма рельефа поверхности, вдоль которой распространяется поверхностная акустическая волна, практически не отличается от картины волн на поверхности жидкости. Однако скорости рэлеевских волн и волн на воде очень сильно различаются по величине. Если типичная скорость рэлеевских волн составляет ~ 3 км/с, то для волн на воде, наблюдаемых в тихую погоду, она не превышает 2 м/с. Кроме того, для наблюдателя, относительно которого поверхностная волна движется слева направо, вращение частиц непосредственно вблизи поверхности происходит против часовой стрелки, а у волн на поверхности жидкости – всегда в направлении движения часовой стрелки.

Если передача возмущения обусловлена электромагнитными явлениями, то волны называются электромагнитными. Для их распространения наличие среды (вещества) не имеет значения, т. е. электромагнитные волны могут распространяться в вакууме.

При определенных условиях в нелинейных консервативных средах могут возникать и распространяться уединенные волны, называемые солитонами. Они во многом похожи на невзаимодействующие частицы. В консервативной среде, где отсутствует диссипация и подвод энергии извне, их скорость, форма и амплитуда остаются неизменными. Примером солитона является огромная уединенная волна в океане, называемая цунами. Солитоны играют важную роль в описании волновых процессов в плазме, твердых телах и других средах.

В открытых диссипативных системах могут возникать автоволны. Их свойства (скорость, форма профиля и амплитуда) не зависят от начальных условий, которые привели к возникновению волны, а целиком определяются свойствами нелинейной среды. Возникновение автоволн является результатом процессов самоорганизации в открытых диссипативных системах. Автоволны наблюдаются при протекании некоторых химических реакций, в биологически активных средах и других нелинейных системах. Примерами автоволн являются нервные импульсы в живых организмах, волны горения в средах с восстановлением, известная автоколебательная химическая реакция Белоусова–Жаботинского, в которой наблюдается периодическое волнообразное изменение окраски раствора при протекании реакции.

Возмущения, сопровождающие распространение волны, характеризуются изменением некоторой векторной физической величины (например, смещения частиц среды относительно положения равновесия или напряженности электрического и магнитного полей). Когда изменения физической величины происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, волна называется поперечной. Если же возмущения совпадают с направлением распространения волны, то волна продольная.

Волны, для которых изменение физической величины в каждой точке пространства происходит по гармоническому закону, называются монохроматическими. Если же колебания имеют более сложную форму, то волна немонохроматическая.

В зависимости от условий распространения волны делятся на бегущие и стоячие. Бегущие волны распространяются в неограниченном пространстве. Условия возникновения стоячих волн, а также их особенности будут рассмотрены ниже. По форме волновой поверхности выделяют плоские, сферические и цилиндрические волны.