Что называется поперечной волной в физике
Продольные и поперечные волны
Продольные волны
Причиной возникновения продольной волны является деформация сжатия/растяжения, т.е. сопротивление среды изменению ее объема. В жидкостях или газах такая деформация сопровождается разрежением или уплотнением частиц среды. Продольные волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.
Примерами продольных волн являются волны в упругом стержне или звуковые волны в газах.
Поперечные волны
Причиной поперечной волны является деформация сдвига одного слоя среды относительно другого. При распространении поперечной волны в среде образуются гребни и впадины. Жидкости и газы, в отличие от твердых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоев, т.е. не оказывают сопротивления изменению формы. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердых телах.
Примерами поперечных волн могут служить волны, бегущие по натянутой веревке или по струне.
Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Если бросить на поверхность воды поплавок, то можно увидеть, что он движется, покачиваясь на волнах, по круговой траектории. Таким образом, волна на поверхности жидкости имеет как поперечную, так и продольную компоненты. На поверхности жидкости также могут возникать волны особого типа – так называемые поверхностные волны. Они возникают в результате действия силы тяжести и силы поверхностного натяжения.
Рис.1. Продольные (а) и поперечные (б) механические волны
Примеры решения задач
| Задание | Определить направление распространения поперечной волны, если поплавок  в некоторый момент времени  имеет направление скорости, указанное на рисунке. |
Начертим поверхность волны вблизи поплавка через некоторый промежуток времени 
, учитывая, что за это время поплавок опустился вниз, так как его скорость в момент времени была направлена вниз. Продолжив линию вправо и влево, покажем положение волны в момент времени 
. Сравнив положение волны в начальный момент времени (сплошная линия) и в момент времени (пунктирная линия), делаем вывод о том, что волна распространяется влево.
Механические волны.
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: механические волны, длина волны, звук.
Наличие у среды упругих свойств является необходимым условием распространения волн: деформация, возникающая в каком-либо месте, благодаря взаимодействию соседних частиц последовательно передаётся от одной точки среды к другой. Различным типам деформаций будут соответствовать разные типы волн.
Продольные и поперечные волны.
Волна называется продольной, если частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Продольная волна состоит из чередующихся деформаций растяжения и сжатия. На рис. 1 показана продольная волна, представляющая собой колебания плоских слоёв среды; направление, вдоль которого колеблются слои, совпадает с направлением распространения волны (т. е. перпендикулярно слоям).
 |
| Рис. 1. Продольная волна |
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечная волна вызывается деформациями сдвига одного слоя среды относительно другого. На рис. 2 каждый слой колеблется вдоль самого себя, а волна идёт перпендикулярно слоям.
 |
| Рис. 2. Поперечная волна |
Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах: во всех этих средах возникает упругая реакция на сжатие, в результате которой появятся бегущие друг за другом сжатия и разрежения среды.
Однако жидкости и газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоёв. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твёрдых телах, но не внутри жидкостей и газов*.
Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е. в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляет
перенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества.
Наиболее просты для изучения гармонические волны. Они вызываются внешним воздействием на среду, меняющимся по гармоническому закону. При распространении гармонической волны частицы среды совершают гармонические колебания с частотой, равной частоте внешнего воздействия. Гармоническими волнами мы в дальнейшем и ограничимся.
Скоростью распространения волны называется отношение длины волны к периоду колебаний частиц среды:
Частотой волны называется частота колебаний частиц:
Отсюда получаем связь скорости волны, длины волны и частоты:
Тон — это звук, который издаёт тело, совершающее гармонические колебания (например, камертон или струна). Высота тона определяется частотой этих колебаний: чем выше частота, тем выше нам кажется звук. Так, натягивая струну, мы увеличиваем частоту её колебаний и, соответственно, высоту звука.
10 лучших примеров поперечных волн в реальной жизни
Волны можно описать как распространяющие динамические возмущения одной или нескольких величин. Научное изучение волн восходит к 17 веку, хотя его концепция существовала гораздо дольше.
Существует множество форм волн, которые можно анализировать, углубляясь в эту тему. В то время как большинство из них имеют одинаковое поведение, некоторые волны можно отличить от других на основе их свойств.
Одним из способов их характеристики является то, как они движутся в определенной среде, что приводит к двум примечательным категориям: поперечные и продольные волны. В этой статье мы остановимся на первой из них.
Что такое поперечная волна?
Когда вы представляете себе волну, вы, вероятно, представляете себе волнистую линию с пиками и впадинами. Именно так выглядит поперечная волна. Это движущаяся волна, которая колеблется перпендикулярно направлению своего распространения.
Поперечные волны обычно возникают в упругих твердых телах, где твердые частицы смещаются от своего начального положения, колеблясь в направлениях, перпендикулярных распространению волны.
Частицы в веревке не переносятся по волне: они просто движутся вверх и вниз, поскольку энергия передается слева направо через среду (веревку).
Чтобы лучше объяснить это явление, мы перечислили несколько хороших примеров поперечных волн, которые люди видят в своей повседневной жизни.
10. Колебания гитарной струны
Форма: Механическая волна
Хотя вибрации в гитарных струнах являются поперечными волнами, звук, который они производят, носит продольный характер. В звуковых волнах частицы движутся в том же направлении, что и волна.
9. Рябь на поверхности воды
Форма: Поверхностные волны
Волны, образовавшиеся в небольшом изолированном водоеме из-за возмущения внешним объектом, имеют поперечный характер. Когда рябь движется по поверхности воды в сферическом направлении наружу, молекулы воды колеблются вверх и вниз.
Другими словами, волны воды распространяются горизонтально, а ее частицы вибрируют под углом 90 градусов к направлению распространения волны (пульсации).
Можно представить себе это, бросив перо в воду, а затем бросив камень в нескольких метрах от пера. Рябь появится из точки, где камень ударился о воду, и будет двигаться наружу по кругу. Когда перо соприкасается с этими пульсациями, оно будет двигаться вверх и вниз (перпендикулярно движению пульсаций).
8. Гамма-лучи
Иллюстрация испускания гамма-лучей из ядра атома
Форма: электромагнитное излучение
Гамма-лучи обладают наибольшей энергией и наименьшими длинами волн из всех волн электромагнитного спектра. Они образуются в результате молний, ядерных взрывов и радиоактивного распада. В космосе они генерируются большинством энергетических тел, таких как пульсары, нейтронные звезды, черные дыры и взрывы сверхновой.
Эти волны иногда используются для лечения рака в организме путем разрушения ДНК опухолевых клеток. Но поскольку это ионизирующие лучи, с ними обращаются очень осторожно. В радиохирургии «Гамма-нож», например, используется специальное оборудование, позволяющее фокусировать почти 200 крошечных лучей радиации на опухолевые клетки и другие мишени с субмиллиметровой точностью.
7. Волна в спортивном стадионе
Форма: Механическая волна
Вы когда-нибудь посещали матч на стадионе и смотрели, как толпа исполняет «волну»? Это метахрональный ритм, достигаемый на переполненном стадионе, когда зрители (сидящие в последовательных рядах) ненадолго встают, поднимают руки и кричат, а затем возвращаются в свое обычное сидячее положение.
Если вы посмотрите издалека, вы увидите волну стоящих зрителей, проходящих через аудиторию, несмотря на то, что люди не отходят от своих мест.
6. Радиоволны
Форма: Электромагнитные волны
Они широко используются в стандартном радиовещании и телевидении, сотовой телефонии, управлении воздушным движением и устройствах/игрушках с дистанционным управлением. Даже цифровое радио, как наземное, так и спутниковое, использует радиоволны для повышения четкости и громкости звука. Многие операционные системы искусственных спутников и ракеты активируются радиосигналами.
Радиотелескопы используются для обнаружения сигналов, поступающих с далеких планет, звезд, галактик и черных дыр. Анализируя эти сигналы, исследователи могут узнать гораздо больше о местоположении, химическом составе и движении этих космических источников.
5. Микроволновая печь
Форма: Электромагнитные волны
Микроволны имеют длину волны от 1 миллиметра до 1 метра с частотами от 300 ГГц до 300 МГц. Эта область далее разделена на несколько полос частот с такими обозначениями, как L, S, C, X и K.
4. Рентгеновские лучи
Форма: электромагнитное излучение
Рентгеновский снимок известен своей способностью видеть сквозь человеческую кожу и раскрывать изображения костей под ней. Последние технологические достижения привели к появлению более сфокусированных, мощных рентгеновских лучей и еще более широкому применению этих поперечных волн, от обнаружения переломов до уничтожения опухолевых клеток.
Рентгеновские лучи имеют гораздо более короткие длины волн, чем ультрафиолетовый и видимый свет. Большинство из них имеют длину волны от 10 нанометров до 10 пикометров, что позволяет визуализировать структуры гораздо меньшего размера, чем можно увидеть с помощью обычного оптического микроскопа.
Они также используются искусствоведами, чтобы определить, было ли изображение закрашено поверх существующего произведения. В астрономии спутники с рентгеновскими детекторами используются для изучения комет, звезд, черных дыр и остатков сверхновых.
3. S-волна
Форма: сейсмическая волна
Сейсмические волны проходят через слои Земли. Они возникают из-за извержений вулканов, землетрясений, движения магмы, крупных оползней и мощных взрывов, произведенных человеком.
Наиболее распространенными типами сейсмических волн являются P (первичные) волны и S (вторичные) волны. Последние имеют поперечный характер. Это второй тип волн, которые можно идентифицировать на сейсмограмме землетрясения (после P-волн), потому что они медленнее распространяются в горных породах.
S-волны не могут проходить через расплавленное внешнее ядро Земли, но они обычно более разрушительны, чем P-волны, поскольку их амплитуда в несколько раз выше. Движение S-волн создает эффект качения по поверхности, который может вызвать повреждение любых конструкций.
2. Инфракрасное излучение
Форма: электромагнитное излучение
Хотя мы не видим инфракрасное излучение, мы можем ощущать энергию этих волн как тепло. Тепловое излучение, излучаемое большинством объектов вблизи комнатной температуры, является инфракрасным.
Многие бытовые приборы, такие как тостеры и тепловые лампы, используют инфракрасное излучение для передачи тепла. Лампа накаливания преобразует почти 90% электрической энергии в инфракрасное излучение; только 10% преобразуется в энергию видимого света.
Различные устройства связи точка-точка полагаются на энергию инфракрасного излучения. Например, пульт дистанционного управления посылает инфракрасные импульсы на устройство, которое он направляет. Эти импульсы кодируются специальными командами, такими как увеличение/уменьшение громкости или включение/выключение питания. Приемник устройства декодирует эти импульсы в данные, которые может понять микропроцессор устройства.
1. Видимый свет
Преломление белого света через призму
Форма: электромагнитное излучение
Наиболее распространенным примером поперечной волны является видимый свет, длина волны которого обычно находится в диапазоне от 400 до 700 нанометров. Его также можно описать в терминах потоков фотонов (безмассовых пакетов энергии), каждый фотон движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме.
Свойства света, такие как интенсивность, частота, направление распространения и поляризация, используются для создания оптических устройств, таких как микроскопы и телескопы, которые позволяют людям видеть объекты, которые нельзя увидеть невооруженным глазом.
Естественный свет от солнца собирается для создания электричества. Искусственные источники света, такие как лазер, используются в оптической связи, лазерной хирургии, лечении кожи, приводах оптических дисков, волоконно-оптических, режущих и сварочных материалах, а также в производстве полупроводниковых чипов (фотолитография).
Астрономы также используют свет для понимания структуры и свойств небесных тел. Космические и наземные телескопы улавливают видимый свет для наблюдения и изучения поверхности нашей планеты.
Поперечная волна
Из Википедии — свободной энциклопедии
Поперечная волна — волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны).
К поперечным волнам относят, например, волны в струнах или упругих мембранах, когда смещения частиц в них происходят строго перпендикулярно направлению распространения волн, а также однородные плоские электромагнитные волны в изотропном диэлектрике или магнетике; в этом случае поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей.
Поперечная волна обладает поляризацией, то есть вектор её амплитуды определённым образом ориентирован в поперечной плоскости. В частности, различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации в зависимости от формы кривой, которую описывает конец вектора амплитуды. Понятие поперечной волны так же, как и продольной волны, до некоторой степени условно и связано со способом её описания. «Поперечность» и «продольность» волны определяются тем, какие величины реально наблюдаются. Так, плоская электромагнитная волна может описываться продольным вектором Герца. В ряде случаев разделение волн на продольные и поперечные вообще теряет смысл. Так, в гармонической волне на поверхности глубокой воды частицы среды совершают круговые движения в вертикальной плоскости, проходящей через волновой вектор k → <\displaystyle <\vec 
, то есть колебания частиц имеют как продольную, так и поперечную составляющие.
Общие сведения
Волна представляет собой совокупность колебаний, передающихся через пространство за определённое время. Это определение применимо как к сферической, так и плоской среде. Появиться она может в газе, твёрдом теле, жидкости. В вакууме механической волны быть не может. Для её возникновения необходим источник, в качестве которого служит колеблющееся тело. Это движение вызывает деформацию, которой и сопутствует появление волны.
Все существующие возмущения принято разделять на два больших класса:
Последние колебания бывают продольными и поперечными. Первые характеризуются смещением элементов в направлении распространения возмущения. К их возникновению приводит сжатие или растяжение среды. То есть возникает реакция сопротивления среды на изменение объёма, например, звуковые волны, колебания в стержне. Поперечными же волнами называют деформацию, при которой происходит сдвиг слоёв среды. При таком роде колебаний наблюдается появление впадин и гребней. Возникать они могут только в твёрдом теле. Наиболее ярким примером поперечных волн может служить верёвка или леска в натянутом состоянии.
Рассматривая волновой процесс, принято считать, что частичка вещества представляет малый элемент объёма этого материала с размерами намного больше, чем расстояния между молекулами. Эти же частички для удобства принимаются за точки. Если в какой-либо среде заставить эту точку совершать колебание, то из-за связи её с другими частичками произойдёт передача возмущения. Этот процесс и принято называть в физике волной.
Волна может распространяться не только в направлении, перпендикулярном к плоскости среды, её колебания возможны и поперёк векторов электромагнитного поля. Поперечные колебания обладают поляризацией. Эта характеристика описывает поведение вектора возмущения в плоскости. Существует круговая, эллиптическая и линейная поляризация. Её вид зависит от формы кривой, описывающейся концом амплитудного вектора.
Механизм и закон распространения
Механические волны могут распространяться только в упругой среде. Вещество называется упругим, если после деформирования оно снова принимает свою начальную форму. Природа продольных колебаний связана с колебаниями частиц, остающихся в плоскости. При этом вызванные возмущения перпендикулярны направлению распространения волны. Называется такой эффект деформационным сдвигом. В газообразных веществах деформация может быть только объёмного характера. Поэтому отвечая на вопрос, в каких средах распространяются поперечные волны, однозначно можно ответить — только в твёрдых.
Основная задача изучения волн заключается в установлении закона, по которому они изменяются в течение времени и параметров, характеризующих возмущение. Одним из них является смещение S. Оно показывает, как изменяется положение точек относительно их нахождения в равновесии. Простым видом возмущений является гармоническая волна. Для её существования нужно, чтобы смещение всех частиц происходило с одинаковым периодом. Для этого необходимы условия, при которых источник колебаний сам будет совершать постоянные гармонические возмущения.
Пусть имеется бесконечная струна. По ней распространятся волна от источника, находящегося в её начале. Колебания, происходящие в ней, можно описать формулой: s0 = A0 * cos (wt + φ), где:
Если взять любую точку на струне и измерить колебания, то можно будет убедиться, что они отстают по фазе от генерирующего их источника. Эту задержку можно описать выражением: s0 = A * cos (w (t — t 1) + φ), где t1 — время, необходимое для того, чтобы точка волны пришла в исследуемое место. При этом если среда распространения не поглощает энергию, то амплитуда в произвольной точке и начальная будут равны.
Для описания одномерного колебания часто используется волновое число. Обозначается оно буквой k и находится через длину волны λ как k = 2p / λ = w / v. Таким образом, закон распространения поперечного возмущения можно будет описать формулой: s = A * cos (w * t — k * x + φ). Это выражение называется уравнением плоской волны.
Величина в скобках — это волновая фаза в произвольной точке. Вычитаемое же k * x + φ является начальной фазой.
Фазовая скорость
Поперечная волна в плоскости описывается через s, то есть смещением от точки равновесия в любой точке пространства в произвольно выбранное время. Фактически это проекция вектора смещения на направление колебаний.
Схема изменения волны будет выглядеть следующим образом. В начальный момент времени упругое тело получит деформацию и смещение составит величину А. Затем по плавной линии интенсивность S будет спадать до тех пор, пока не поменяет знак. Через некоторое время ситуация повторится. Расстояние между двумя вершинами, а именно точками, колеблющимися в одной фазе, называют длиной волны. Можно сказать, что длина является пространственным периодом.
Смотря на формулу, можно утверждать, что с ростом t график будет смещаться влево. В этом случае интерес представляет не причина перемещения, а скорость. Для того чтобы фаза была постоянной, скобка в формуле должна быть константой. Из этого следует, что (2 * p / λ) * x = wt — const. Для упрощения выражения левую и правую часть можно умножить на λ и разделить на 2*p.
В результате получится: x = (λ * w / 2 * p) * t — (const * x / 2 * p). Для удобства первый член можно обозначить буквой C, а второй X 0. Если вспомнить утверждение, описывающее равномерное прямолинейное движение x (t) = x 0 + Vx * t, то можно обнаружить сходство с полученным выражением. Таким образом, можно сказать, что скорость перемещения волновой поверхности, то есть плоскости, в которой фаза во всех точках одна и та же, называется фазовой скоростью.
Исходя из сказанного, можно записать: x = x0 + c *t, где C = λ * w / 2 * p. Омега, делённая на два пи — это частота. Её принято обозначать буквой ν. Отсюда можно дать определение фазовой скорости: c является характеристикой колебания и представляет собой произведение длины волны на частоту. При этом длина λ характеризуется расстоянием, проходимым волной за время, равное одному периоду: λ = c * T.
Колебания в струне
Струной называется тонкая, гибкая, сильно натянутая нить с равномерно распределённой по длине плотностью. Согласно правилу, определяющему, какие волны называются поперечными, можно утверждать, что при колебании струна будет иметь максимум два отклонения. В начальный момент t0, пока воздействие на струну не оказывается, она не деформированная. Сила натяжения струны равняется F0. В определённое время к струне прикладывается дополнительная сила F. Если сложить эти две силы, то по струне побежит излом, направленный в противоположную сторону от вектора F общее.
За время ϴ положение струны изменится. Наблюдаемый излом пробежит расстояние, обозначаемое L. При этом конец струны переместится на расстояние Δ L. Для рассматриваемого случая фазовая скорость представляет излом, бегущий вдоль струны.
Физически распространение колебания происходит плавно. При приложении деформации сначала один участок деформируется, а затем последовательно и остальные. Если на струне зафиксировать точку, то можно будет обнаружить особенность её перемещения, заключающуюся в том, что после внешнего воздействия она начнёт перемещаться кверху. Так как струна прямая, то все частички движутся с одинаковой скоростью V.
Анализируя ситуацию, можно сказать, что фазовая скорость равняется расстоянию, пройденному изломом, делённому на время: c = L / ϴ. За то же самое время частицы струны поднимаются со скоростью V. Отсюда можно найти скорость движения струны: V = ΔL / ϴ. Получается, что на частицы действует сила, заставляющая их двигаться вверх с одной и той же скоростью. Для изменения импульса силы можно записать формулу, используя второй закон Ньютона: F * ϴ = Δp. При этом следует отметить, что импульсом будет обладать лишь та часть струны, которая уже изломалась.
Изменение импульса происходит за счёт вовлечения всё большей массы струны. Поэтому верно будет записать: Δp = m * V. Свойством этой массы является равномерное распределение по струне. Обозначается этот параметр греческой буквой ρ, называется линейной плотностью и находится из равенства: ρ = m / l. Приложенную силу можно определить из соотношения F / F0 = ΔL / L, отсюда F = F0 (ΔL / L).
Подставив формулы параметров в основное выражение и выполнив ряд преобразований, можно получить следующее выражение: c = √F0 / ρ. То есть скорость распространения поперечного колебания равняется корню квадратному из соотношения силы натяжения в струне к её погонной плотности.
Пример решения задачи
В разделе «Колебания и волны» общей физики учащимся предлагается научиться решать задачи на нахождение фазовой скорости. Для её вычисления нужно понимать, что она зависит от силы натяжения и плотности деформируемого вещества. Отсюда следует, что для увеличения скорости нужно приложить большую силу, а для уменьшения — увеличить плотность материала. Ярким примером этого является гитара, в которой шестая струна толще, чем первая.
Вот пример типовой задачи на нахождение фазового параметра. Пусть имеется верёвка с массой 0,85 кг. Её натянули между двумя опорами, находящимися на расстоянии 30 метров друг от друга. Сила натяжения верёвки составляет 1950 ньютон. Нужно вычислить, за какое время импульс перейдёт от одной из опор к другой. Решение примера необходимо выполнять в следующей последовательности:
Пожалуй, в классификации волн поперечные колебания являются одним из самых интересных видов возмущений. Их особенность в том, что возникают они только в твёрдых телах. Ведь в жидкой и газообразной среде физически невозможно появление противодействующих упругих сил. Решение задач предполагает знание формул смещения при распространении волны и фазовой скорости, а также закона, по которому описывается колебание.
При этом важно понимать, что частота возмущений волны совпадает с частотой источника, их вызвавшего. Это следует из того, что колебания частиц среды являются вынужденными, а значит, не зависят от свойств пространства, в котором они распространяются. Поэтому при переходе из одной среды в другую частота остаётся неизменной, а измениться могут лишь скорость и длина.