Поширення механічних коливань у пружному середовищі

Пружне середовище (тверде, рідке, газоподібне) характеризується тим, що між частинками середовища існують сили взаємодії. Тому коливання, які виникли в деякій точці середовища, передаються сусіднім точкам і поступово коливальний рух починає поширюватись від однієї точки до іншої з деякою швидкістю .

Поширення механічних коливань у пружному середовищі називають механічним хвильовим процесом, або механічною хвилею.

Прикладом механічного хвильового процесу є поширення звуку (звукова хвиля). До звукових хвиль відносять пружні хвилі, джерела яких коливаються в діапазоні частот ν =16÷20000 Гц.

Нехай джерелом хвилі є металева мембрана, яка здійснює гармонічні коливання з циклічною частотою . Біля мембрани розміщена довга металева труба, у якій міститься повітря ( рис. 4.1 ).

Коливання мембрани передаються частинкам повітря і вздовж труби побіжить пружна хвиля ( біжуча хвиля ). Вона являє собою систему областей стискання й розрідження повітря, періодично змінюючих свій стан. Якщо у деякий момент часу у будь-якому місті середовища спостерігається стискання, а в сусідньому – розрідження, то через половину періоду в першій області виникає розрідження, а у другій стискання і.т.д.

Рис.4.1.

Треба звернути увагу на наступне:

1. Коливання частинок повітря відбуваються з циклічною частотою і тому таку хвилю називають монохроматичною (одна частота ).

2. Коливання частинок середовища відбуваються паралельно напрямку, у якому поширюється хвиля.

3. Частинки середовища, в якому поширюється хвиля, тільки здійснюють коливання відносно положень рівноваги, а не втягуються хвилею до поступального руху. Це означає, що біжуча хвиля не переносить речовину у просторі, а здійснює тільки перенесення енергії та імпульсу.

Якщо коливання частинок середовища відбуваються вздовж напрямку поширення хвилі, то хвилю називають повздовжньою.

Хвилю називають поперечною, якщо частинки коливаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі.

Рис.4.2

На рис. 4.2 показано приклад поперечної хвилі, яка утворюється в закріпленій гумовій мотузці при коливанні її вільного кінця.

У твердих тілах можливі як повздовжні, так і поперечні хвилі. Повздовжня хвиля виникає в результаті деформації стискання або розрідження, як у газах так і рідинах. Поперечна хвиля виникає в результаті деформації зсуву. Гази й рідини не мають такої властивості. Тому в них поперечні хвилі неможливі.

Поширюючись від джерела коливань, хвильовий процес охоплює нові частини простору. Геометричне місце точок, до яких доходять коливання на момент часу t, називають фронтом хвилі (хвильовим фронтом). Фронт–це поверхня, яка розділяє частину простору у якій здійснюються коливання від області, у якій коливання ще не виникли (рис. 4.3).