Волна и её виды
Волны окружают нас повсюду. Они передают различные возмущения, распространяются в различных средах, генерируются разными источниками.
Однако все они обладают целым рядом одинаковых свойств — бегущие волны переносят энергию и импульс, гармонические волны любой природы описываются одинаковыми уравнениями и т. д. Но самое главное, волны, если они «неправильные», передают информацию.
Волна — это распространение возмущений в пространстве.
В разных волнах «возмущение» представляет собой совершенно разные процессы. В звуковых волнах это изменения давления и плотности, вызванные колебаниями молекул среды, в электромагнитных — взаимосвязанные изменения напряженностей электрического и магнитного полей, в гравитационных — изменение геометрических свойств пространства-времени.
В волнах на воде возмущение сводится к движению водной поверхности, обусловленному колебаниями частиц воды.
Бегущие волны образуются в результате воздействия на систему, не имеющую внешних границ, — открытую систему. В такой системе они «убегают» от создающего их источника.
Понятие «открытости» не предполагает, что система бесконечна, у нее могут быть границы, но они не должны вызывать отражения волн. Например, звук, распространяющийся высоко в воздухе над морем, или звук в комнате со звукопоглощающими стенами — это бегущие волны.
И в том, и в другом случае звук распространяется в открытой системе. В обычной комнате, где стенки не покрыты поглощающим звук материалом, волны, отраженные от стен (эхо), накладываются на волны, идущие от источника.
В результате возникает достаточно сложная картина, звук «искажается», а при определенных условиях воздух в комнате может «резонировать» на характерных для данного помещения частотах.
В стоячей волне, в отличие от бегущей, не происходит переноса энергии. Это очевидный результат, так как стоячая волна образуется из двух одинаковых волн, несущих навстречу друг другу одинаковые потоки энергии.
В стоячей волне происходит лишь превращение энергии из одного вида в другой.
Волны могут распространяться в вакууме и в различных средах. Сами среды также довольно разнообразны.
Звуковые волны могут распространяться и в жидкостях, и в твердых телах, и в газах. Элементами этих сред являются атомы и молекулы.
Если рассматриваются волны на воде или песчаные волны, то в качестве элементов среды выступают частицы воды или песка. Транспортные волны возникают в сплошных потоках машин, соответственно элементы среды — машины.
Волны гриппа распространяются в человеческом сообществе, и элементами среды в этом случае являются люди.
Обязательное условие распространения волны — наличие связей между возмущениями в соседних областях пространства. Если оттянуть участок струны, то благодаря силам упругости колебания возникнут не только в отведенных от положения равновесия участках струны, но и в соседних, и дальше в колебание последовательно будут вовлекаться все новые участки струны, т. е. по струне побежит упругая волна.
При распространении электромагнитных волн изменение напряженности электрического поля в некоторой области пространства вызывает появление в ее окрестности магнитного поля, и наоборот. Во время эпидемии гриппа больной, чихнувший в трамвае, заражает вокруг себя несколько пассажиров, которые потом так же заражают своих близких, а те — сослуживцев, и волна гриппа начинает лавинообразно нарастать.
Гармонические волны могут распространяться в пространстве с любой скоростью, в том числе и со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, так как идеальная гармоническая волна не может передать никакой информации. А вот любые изменения — дефекты такой волны — уже являются информативными и поэтому не могут перемещаться в пространстве быстрее, чем свет распространяется в пустоте.
Геометрическое место точек, до которых дошли возмущения к рассматриваемому моменту времени, называется фронтом волны. Волны часто имеют название соответственно форме фронтальной поверхности.
Если она плоская, то и волну называют плоской, если сферическая, то и волну называют сферической. В неоднородных средах возможны волны с очень разной геометрической формой фронта.
Различные волновые движения могут описываться одинаковыми математическими уравнениями. Это отражает сходный характер протекания волновых процессов, хотя их физическая природа может быть совершенно различной.
Одни и те же телеграфные уравнения (это их историческое название) описывают распространение и звуковых, и электромагнитных волн. Но в первом случае они определяют, например, давление и скорость течения жидкой или газообразной среды, а во втором — напряженности электрического и магнитного полей.
В зависимости от характера распространения возмущений изменяется вид описывающих волну уравнений. Для сложных движений они могут быть очень сложными.
Проще всего написать уравнение плоской волны.
Наблюдение волн в разных системах отсчета может дать различные картины. Если вы смотрите из окна вагона, мчащегося мимо равномерно стоящих песчаных холмов, то (при достаточном воображении) вам может показаться, что мимо вас проносятся песчаные волны.
Если же вам удалось бы оседлать один из гребней реальной бегущей песчаной волны, то вы бы могли представить себе, что попали в «страну» песчаных холмов.
