Волны на поверхности жидкости; волна, пробегающая по веревке, если дернуть ее за один из концов; даже звук – всё это примеры механических волн. Сегодня мы познакомимся с параметрами, которые количественно характеризуют волны.

Вспомним определение: волна – это изменение некоторой совокупности физических величин, которое распространяется в пространстве от места возникновения с течением времени.

Представим себе бильярдные шары, расставленные в ряд с интервалом в несколько сантиметров (см. рис. 1).

Рис. 1. Расставленные бильярдные шары

После удара по крайнему шару (см. рис. 2) мы увидим, как он перемещается и сталкивается со вторым шаром.

Рис. 2. Шар ударяет крайний шар

Затем второй шар ударяет третий и так далее. Таким образом, мы наблюдаем распространение волны. Изменение величин (в данном случае это перемещение, скорость, кинетическая энергия шаров) распространяется в пространстве с течением времени (см. рис. 3).

Рис. 3. Принцип распространения волны

Такая волна является одиночной – изменение физических величин распространяется разово.

Цунами, волна, пробегающая по веревке, если дернуть ее за один из концов, даже продвижение на одного человека привычной нам очереди за мороженым – тоже примеры одиночных волн.

Очередь за мороженым

Представим очередь за мороженым (см. рис. 4).

Рис. 4. Продвижение очереди

Люди, стоящие в очереди, находятся на равном расстоянии друг от друга. Затем, расплатившись и получив свое мороженое, довольный покупатель покидает очередь. Человек, стоящий за ним, смещается на шаг к прилавку, тоже освобождая свое место. Дальше смещение на шаг вперед совершит третий покупатель, затем четвертый и т. д. То есть смещение будет распространяться в пространстве от места возникновения (от начала очереди к концу) с течением времени. Такая волна является одиночной – смещение каждого покупателя происходит однократно. Повторно волна «прокатится» по очереди лишь после того, как следующий покупатель отойдет от прилавка и стоящий за ним сместится на его место – то есть возникнет уже новое смещение, новое изменение физической величины.

А что будет происходить, если соединить шары пружинками? Тогда при перемещении первого шара прикрепленная к нему пружина будет сжиматься и в ней будет возникать сила упругости, которая с одной стороны будет толкать второй шар и передавать ему энергию, а с другой стороны – возвращать первый шар в исходное положение (см. рис. 5).

Рис. 5. Сила упругости в пружине

Описанная ситуация моделирует упругую среду (газ, жидкость, твердое тело).

Между частицами упругих сред присутствуют силы упругого взаимодействия, которые препятствуют деформации этой среды. При смещении частиц эти силы, подобно пружинкам в нашем примере, стремятся вернуть их в исходные положения (см. рис. 6).

Рис. 6. Действие сил упругого взаимодействия

Благодаря этому в упругих средах могут распространяться не только разовые изменения физической величины (одиночные волны), но и периодические изменения физической величины (колебания).

Волна – это изменение физической величины, распространяющееся в пространстве. И если это изменение физической величины будет периодическим, то есть будет представлять собой колебания, оно также будет распространяться. Для частиц упругой среды выполняются оба условия возникновения колебаний – при отклонении возникает сила, возвращающая их в исходное положение (см. рис.7) и, так как частицы обладают массой, они продолжают движение по инерции при прохождении этого положения.

Рис. 7. Возвращающая сила

При этом колебания распространяются в упругой среде и передают энергию в другие точки, хотя частицы остаются вблизи своих исходных положений.

Один из примеров механической волны, представляющей собой распространение колебаний, – это столь привычный нам способ обмена информацией – звук. Подробнее о его свойствах пойдет речь на следующем уроке.