Рассмотрим опыт, показанный на рисунке 69. Длинную пружину подвешивают на нитях. Ударяют рукой по её левому концу (рис. 69, а). От удара несколько витков пружины сближаются, возникает сила упругости, под действи ем которой эти витки начинают расходиться. Как маятник проходит в своём движении поло- жение равновесия, так и витки, минуя поло- жение равновесия, будут продолжать расхо- диться. В результате в этом же месте пружины образуется уже некоторое разрежение (рис. 69, 6). При ритмичном воздействии витки на кон- це пружины будут периодически то сближать- ся, то отходить друг от друга, совершая колеба- ния возле своего положения равновесия. Эти колебания постепенно передадутся от витка к витку вдоль всей пружины. По пружине рас- пространятся сгущения и разрежения витков, как показано на рисунке 69, в. Другими словами, вдоль пружины от её ле- вого конца к правому распространяется возму щение, т. е. изменение некоторых физических величин, характеризующих состояние среды. В данном случае это возмущение представляет собой изменение с течением времени силы упругости в пружине, ускорения и скорости движения колеблющихся витков, их смеще ния от положения равновесия. Возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения, называются волнами.В данном определении речь идет о так назы ваемых бегущих волнах. Основное свойство бегущих воли любой природы заключается в том, что они, распространяясь в пространст не, переносят энергию. Так, например, колеблющиеся витки пру жины обладают энергией. Взаимодействуя с соседними витками, они передают им часть своей энергии, и вдоль пружины распростра няется механическое возмущение (деформа ция), т. е. образуется бегущая волна. Но при этом каждый виток пружины коле блется около своего положения равновесия, и вся пружина остаётся на первоначальном месте. Таким образом, в бегущей волне происходит перенос энергии без переноса вещества. В данной теме будем рассматривать только упругие бегущие волны, частным случаем ко торых является звук. Упругие волны в упругой среде. это механические возмущения, распространяющиеся Иначе говоря, образование упругих волн в среде обусловлено возникновением в ней упру гих сил, вызванных деформацией. Например, если по какому-нибудь металлическому телу ударить молотком, то в нём возникнет упругая волна. Помимо упругих существуют и другие виды волн, например электромагнитные волны (см. § 44). Волновые процессы встречаются почти во всех областях физических явлений, поэтому их изучение имеет большое значение. При возникновении волн в пружине колеба- ния её витков происходили вдоль направления распространения волны в ней (см. рис. 69). Волны, в которых колебания происходят вдоль направления их распро- странения, называются продольными волнами.Кроме продольных волн суще ствуют и поперечные волны. Рас- смотрим такой опыт. На рисунке 70, а показан длинный резино- вый шнур, один конец которого закреплён. Другой конец приво- дят в колебательное движение в вертикальной плоскости (перпен дикулярно горизонтально расположенному шнуру). Благодаря силам упругости, возника- ющим в шнуре, колебания будут распростра- няться вдоль шнура. В нём возникают волны (рис. 70, 6), причём колебания частиц шнура происходят перпендикулярно направлению распространения волн. Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направле нию их распространения, называются поперечными волнами. Движение частиц среды, в которой обра- зуются как поперечные, так и продольные волны, можно наглядно продемонстрировать с помощью волновой машины (рис. 71). Ha рисунке 71, а показана поперечная волна, а на рисунке 71, б продольная. Обе волны распространяются в горизонтальном направле- нии. На волновой машине представлен только один ряд шариков. Но, наблюдая за их движе нием, можно понять, как распространяются волны в сплошных средах, протяжённых во всех трёх направлениях (например, в некотором объёме твёрдого, жидкого или газообраз- ного вещества). Для этого представьте себе, что каждый шарик является частью вертикального слоя вещества, расположенного перпендикулярно к плоскости рисунка. Из рисунка 71, а видно, что при распространении поперечной волны эти слои, подобно шарикам, будут сдвигаться друг относительно друга, совершая колебания в вертикальном направлении. Поэтому попе речные механические волны являются волна- ми сдвига. А продольные волны, как видно из рисунка 71, 6, это волны сжатия и разрежения. В этом случае деформация слоёв среды состоит в изменении их плотности, так что продольные волны представляют собой чередующиеся уп- лотнения и разрежения. Известно, что упругие силы при сдвиге слоёв возникают только в твёрдых телах. В жидко- стях и газах смежные слои свободно скользят друг по другу без появления противодействую- щих упругих сил. Раз нет упругих сил, то и об- разование упругих волн в жидкостях и газах невозможно. Поэтому поперечные волны мо- гут распространяться только в твёрдых телах. При сжатии и разрежении (т. е. при измене- нии объёма участков тела) упругие силы воз- никают как в твёрдых телах, так и в жидко- стях и газах. Поэтому продольные волны могут распространяться в любой среде жидкой и газообразной. твёрдой Рассмотрим более подробно процесс переда- чи колебаний от точки к точке при распрост ранении поперечной волны. Для этого обра- тимся к рисунку 72, на котором показаны раз- личные стадии процесса распространения поперечной волны через промежутки времени, равные Т. На рисунке 72, а изображена цепочка про- нумерованных шариков. Это модель: шарики символизируют частицы среды. Будем счи тать, что между шариками, как и между ча- стицами среды, существуют силы взаимодей ствия, в частности при небольшом удалении шариков друг от друга возникает сила притя- жения. Если привести первый шарик в колебатель- ное движение, т. е. заставить его двигаться вверх и вниз от положения равновесия, то бла годаря силам вазимодействия каждый ша рик в цепочке будет повторять движение пер вого, но с некоторым запаздыванием (сдвигом фаз). Это запаздывание будет тем больше, чем дальше от первого шарика находится данный шарик. Так, например, видно, что четвёртый шарик отстаёт от первого на колебания 1 4 (рис. 72, 6). Ведь когда первый шарик прошел 1 часть пути полного колебания, максимально отклонившись вверх, четвёртый шарик только начинает движение из положения равновесия. Движение седьмого шарика отстаёт от движе 1 ния первого на колебания (рис. 72, в), десято- го на 3 колебания (рис. 72, г). Тринадцатый 4 шарик отстаёт от первого на одно полное коле бание (рис. 72, д), т. е. находится с ним в оди наковых фазах. Движения этих двух шариков совершенно одинаковы (рис. 72, е). Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, называется длиной волны. Длина волны обозначается греческой буквой 2. («ламбда»). Расстояние между первым и три- надцатым шариками (см. рис. 72, е), вторым и четырнадцатым, третьим и пятнадцатым и так далее, т. е. между всеми ближайшими друг к другу шариками, колеблющимися в одинако- вых фазах, будет равно длине волны д. Из рисунка 72 видно, что колебательный процесс распространился от первого шарика до тринадцатого, т. е. на расстояние, равное дли не волны д, за то же время, за которое первый шарик совершил одно полное колебание, т. е. за период колебаний Т. Значит, где скорость волны. Поскольку период колебаний связан с их ча стотой зависимостью T = 1/v то длина волны может быть выражена через скорость волны и частоту: Таким образом, длина волны зависит от час тоты (или периода) колебаний источника, по- рождающего эту волну, и от скорости распро странения волны. Из формул для определения длины волны можно выразить скорость волны: Формулы для нахождения скорости волны справедливы как для поперечных, так и для продольных волн. Длину волны и при распро- странении продольных волн можно пред- ставить с помощью рисунка 73. На нём изобра жена (в разрезе) труба с поршнем. Поршень со вершает колебания с небольшой амплитудой вдоль трубы. Его движения передаются приле- гающим к нему слоям воздуха, заполняющего трубу. Колебательный процесс постепенно рас- пространяется вправо, образуя в воздухе раз- режения и сгущения. На рисунке даны приме- ры двух отрезков, соответствующих длине вол- ны А. Очевидно, что точки 1 и 2 являются ближайшими друг к другу точками, колеблю- щимися в одинаковых фазах. То же самое мож- но сказать про точки 3 и 4. Сделать краткий конспект