Что называют поперечной волной
Поперечные волны
Смотреть что такое «Поперечные волны» в других словарях:
поперечные волны — волны смещения волны сдвига — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы волны смещенияволны сдвига EN transversal waves … Справочник технического переводчика
поперечные волны — ▲ волна ↑ поперек поперечные волны волны, у которых характеризующие их векторные величины совершают колебания в направлении, перпендикулярном распространению волны (звук в твердых телах). поляризация волн нарушение симметрии в распределении… … Идеографический словарь русского языка
ВОЛНЫ СЕЙСМИЧЕСКИЕ — упругие волны, возникающие в результате землетрясения, взрывов, ударов, распространяющиеся в виде затухающих колебаний в Земле. Упругой волной называется процесс передачи на расстояние деформаций, возникающих в упругих телах. В. с.… … Геологическая энциклопедия
Волны — Волны: а одиночная волна; б цуг волн; в бесконечная синусоидальная волна; l длина волны. ВОЛНЫ, изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Основное свойство всех волн, независимо от их… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
волны в водоеме — ▲ поперечные волны ↑ (быть) в, водоем волна (# бежит. # набежала, накатилась). волнение (на море #). носить, ся по волнам. вал. девятый вал. зыбь длинные пологие волны. рябь. барашки (# волн). прибой разрушение морских волн при набегании их на… … Идеографический словарь русского языка
Волны — Волна изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой… … Википедия
Волны в плазме — Волны в плазме электромагнитные волны, распространяющиеся в плазме и самосогласованные с коллективным движением заряженных частиц плазмы. В силу того, что доминирующее значение в динамике частиц плазмы играет электромагнитное взаимодействие … Википедия
ВОЛНЫ ПОВЕРХНОСТНЫЕ — упругие волны, возникающие при падении продольных и поперечных волн на свободную (дневную) поверхность. Характеризуются пониженными, сравнительно с прямой волной, кажущимися скоростями, большой интенсивностью, низкочастотным спектром, быстрым… … Геологическая энциклопедия
ВОЛНЫ — ВОЛНЫ, по определению основателя волновой теории света Юнга (Joung, 1802), представляют такое колебательное движение, к рое распространяется через все точки среды, при чем после совершения колебания частицы среды прекращают свое движение.… … Большая медицинская энциклопедия
ВОЛНЫ УПРУГИЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ — см. Волны сейсмические. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
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.
Упругие волны (механические волны).
Возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения, называют волнами.
Упругие волны — это возмущения, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной средах благодаря действию в них сил упругости.
Сами эти среды называют упругими. Возмущение упругой среды — это любое отклонение частиц этой среды от своего положения равновесия.
Возьмем, например, длинную веревку (или резиновую трубку) и прикрепим один из ее концов к стене. Туго натянув веревку, резким боковым движением руки создадим на ее незакрепленном конце кратковременное возмущение. Мы увидим, что это возмущение побежит вдоль веревки и, дойдя до стены, отразится назад.
Начальное возмущение среды, приводящее к появлению в ней волны, вызывается действием в ней какого-нибудь инородного тела, которое называют источником волны. Это может быть рука человека, ударившего по веревке, камешек, упавший в воду, и т. д. Если действие источника носит кратковременный характер, то в среде возникает так называемая одиночная волна. Если же источник волны совершает длительное колебательное движение, то волны в среде начинают идти одна за другой. Подобную картину можно увидеть, поместив над ванной с водой вибрирующую пластину, имеющую наконечник, опущенный в воду.
Необходимым условием возникновения упругой волны является появление в момент возникновения возмущения сил упругости, препятствующих этому возмущению. Эти силы стремятся сблизить соседние частицы среды, если они расходятся, и отдалить их, когда они сближаются. Действуя на все более удаленные от источника частицы среды, силы упругости начинают выводить их из положения равновесия. Постепенно все частицы среды одна за другой вовлекаются в колебательное движение. Распространение этих колебаний и проявляется в виде волны.
В любой упругой среде одновременно существуют два вида движения: колебания частиц среды и распространение возмущения. Волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления ее распространения, называется продольной, а волна, в которой частицы среды колеблются поперек направления ее распространения, называется поперечной.
Продольная волна.
Волна, в которой колебания происходят вдоль направления распространения волны, называется продольной.
В упругой продольной волне возмущения представляют собой сжатия и разрежения среды. Деформация сжатия сопровождается возникновением сил упругости в любой среде. Поэтому продольные волны могут распространяться во всех средах (и в жидких, и в твердых, и в газообразных).
Пример распространения продольной упругой волны изображен на рисунке а и б выше. По левому концу длинной пружины, подвешенной на нитях, ударяют рукой. От удара несколько витков сближаются, возникает сила упругости, под действием которой эти витки начинают расходиться. Продолжая движение по инерции, они будут продолжать расходиться, минуя положение равновесия и образуя в этом месте разрежение (рисунок б). При ритмичном воздействии витки на конце пружины будут то сближаться, то отходить друг от друга, т. е. колебаться возле своего положения равновесия. Эти колебания постепенно передадутся от витка к витку вдоль всей пружины. По пружине распространятся сгущения и разрежения витков, или упругая волна.
Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения, называются поперечными. В поперечной упругой волне возмущения представляют собой смещения (сдвиги) одних слоев среды относительно других.
Деформация сдвига приводит к появлению сил упругости только в твердых телах: сдвиг слоев в газах и жидкостях возникновением сил упругости не сопровождается. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердых телах.
Плоская волна — это волна, у которой направление распространения одинаково во всех точках пространства.
В такой волне амплитуда не меняется со временем (по мере удаления от источника). Получить такую волну можно, если большую пластину, находящуюся в сплошной однородной упругой среде, заставить колебаться перпендикулярно плоскости. Тогда все точки среды, примыкающей к пластине, будут колебаться с одинаковыми амплитудами и одинаковыми фазами. Распространяться эти колебания будут в виде воли в направлении нормали к пластине, причем все частицы среды, лежащие в плоскостях, параллельных пластине, будут колебаться с одинаковыми фазами.
Геометрическое место точек, в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение, называется волновой поверхностью, или фронтом волны.
С этой точки зрения плоской волне можно дать и следующее определение:
Волна называется плоской, если ее волновые поверхности представляют совокупность плоскостей, параллельных друг другу.
Линия, нормальная к волновой поверхности, называется лучом. Вдоль лучей происходит перенос энергии волны. Для плоских волн лучи — это параллельные прямые.
Уравнение плоской синусоидальной волны имеет вид:
где s — смещение колеблющейся точки, sm — амплитуда колебаний, ω — циклическая частота, t — время, х — текущая координата, v — скорость распространения колебаний или скорость волны, φ0 — начальная фаза колебаний.
Сферической называется волна, волновые поверхности которой имеют вид концентрических сфер. Центр этих сфер называется центром волны.
Лучи в такой волне направлены вдоль радиусов, расходящихся от центра волны. На рисунке источником волны является пульсирующая сфера.
Амплитуда колебаний частиц в сферической волне обязательно убывает по мере удаления от источника. Энергия, излучаемая источником, равномерно распределяется по поверхности сферы, радиус которой непрерывно увеличивается по мере распространения волны. Уравнение сферической волны имеет вид:
.
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.
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.