Продольные и поперечные волны

Как отмечалось ранее, в колебаниях могут участвовать физические величины различной природы, что обуславливает существование различных типов волн. Различие в характере проще всего понять на примере упругих механических волн – волн, в которых частицы среды колеблются в зависимости от амплитуды, частоты и направления колебаний соседних частиц. Колебания частиц вещества могут происходить как в направлении волнового луча, так и в направлении перпендикулярном ему. В первом случае волны называют продольными; продольные волны могут распространяться в веществе в любом агрегатном состоянии: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

· Продольныеволны– волны, в которых колеблющаяся величина периодически изменяется в направлении распространения волны.

На рисунке 1.15 показано как при движении частиц, участвующих в продольных колебаниях образуются чередующиеся области их сгущения или разрежения. Длина изображенной на нем волны соответствует расстоянию между двенадцатью частицами.

Рис. 1.15. Рапространение продольных колебаний в упругой среде

· Поперечныеволны– это волны, в которых колеблющаяся величина изменяется в направлении перпендикулярном направлению распространения волны.

Поперечные упругие (механические) волны могут распространяться только в твердых телах, поскольку лишь в них могут возникать напряжения сдвига. Движение частиц в поперечной волне показано на рисунке 1.16.

Рис. 1.16. Распространение поперечной волны

Вдоль волнового луча расположены чередующиеся группы частиц, смещенные вверх или вниз и образующие бугры и впадины[2]. Скорость распространения гармонических волн зависит от упругих свойств среды, но не зависит от частоты и амплитуды колебательного движения частиц среды.

· При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, но за счет различной скорости распространения колебаний изменяется длина волны.

Из рисунков 1.15 и 1.16 видно, что и в продольной, и в поперечной волне частицы среды не движутся в направлении распространения волны, а совершают колебания относительно положения равновесия, которое, в среднем, остается неизменным. Движение каждой последующей частицы, вовлекаемой в колебательный процесс, отстает по фазе от предыдущей. Это вызывает кажущийся эффект поступательного движения гребней и впадин волны (но не частиц! среды). Конечная скорость V передачи взаимодействий частиц среды вызывает запаздывание волны (в точке наблюдения с координатой х) во времени на величину t=x/V.