Механические волны

Помните, как писал Козьма Прутков: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою». Эти круги (в виде чередующихся гребней и впадин) являются примером возмущения спокойной до этого поверхности воды. Возникнув в одном месте (куда был брошен камешек) , они сразу же начинают распространяться во все стороны (рис. 41). Это и есть волны.

Волны на поверхности жидкости существуют благодаря действию на частицы жидкости сил тяжести и сил меж молекулярного взаимодействия. Наиболее распространенными и примечательными среди волн этого типа являются морские волны, т. е. волны на поверхности морей и океанов.

Английский ученый А. Эддингтон писал, что «путешествующему на корабле кажется, что океан состоит из волн, а не из воды». Первые признаки волн (легкая рябь в виде параллельных рядов) начинают появляться после того, как скорость ветра, действующего на поверхность воды, достигает 1,1 м/с. По мере увеличения скорости ветра характер волн изменяется, высота гребней увеличивается, а их форма усложняется. Высота волн в Балтийском море доходит до 5 м, в Атлантическом океане — до 9 м, а в водах южного полушария, где водное кольцо охватывает всю Землю, наблюдались волны высотой 12—13 м, перемещающиеся со скоростью около 20 м/с!

Когда морские волны доходят до берега, то при резком изменении глубины водного слоя вблизи него могут наблюдаться чрезвычайно высокие (иногда высотой до нескольких десятков метров) взбросы воды. При этом кинетическая энергия огромных масс воды передается встречным (береговым) препятствиям, которые могут не выдержать напора воды и разрушиться. Разрушительная сила прибоя иногда достигает удивительно больших значений. Так, например, на Шетлендских островах можно найти обломки скал массой до 13 т, которые были выброшены прибоем на высоту около 20 м. А в Бильбао (Испания) прибоем был перевернут и сброшен с места бетонный массив в 1700 т!

Наряду с волнами на поверхности жидкости в механике изучают так называемые упругие волны — возмущения, распространяющиеся в различных 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 (рис. 42).

Начальное возмущение среды, приводящее к появлению в ней волны, вызывается действием в ней какого-либо инородного тела, называемого 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 (см. рис. 42). 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 волны является появление в момент возникновения возмущения препятствующих ему сил, например сил упругости. Эти силы стремятся сблизить соседние частицы среды, если они расходятся, и растолкнуть 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 представляется в виде волны.

В любой упругой волне 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.

В продольной волне возмущения представляют собой сжатия и разрежения среды (рис. 43, а), а в поперечной — смещения (сдвиги) одних слоев среды относительно других (рис. 43, б) Но деформация сжатия всегда сопровождается возникновением сил упругости, в то время как деформация сдвига приводит к появлению сил упругости только в твердых телах: сдвиг слоев в газах и жидкостях возникновением сил упругости не сопровождается. Поэтому продольные волны могут распространяться во всех средах (ив жидких, и в твердых, и в газообразных), а поперечные — только в твердых.

Волны на поверхности воды (или любой другой жидкости) не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный, продольно-поперечный характер, при котором частицы жидкости движутся либо по окружностям (рис. 44), либо по вытянутым в горизонтальном направлении эллипсам. В этом легко можно убедиться, наблюдая за перемещениями на воде легкой щепки. Но это еще не все. Круговые движения частиц на поверхности воды (особенно при большой амплитуде колебаний) сопровождаются их медленным перемещением в направлении распространения волны. Именно этим объясняются все те «дары моря», которые можно обнаружить на берегу.

1. Чем отличаются упругие волны от волн на поверхности жидкости? 2. Что понимают под возмущением упругой среды? 3. В чем заключается необходимое условие возникновения волны? 4. Какие волны называют продольными? поперечными? 5. В каких средах распространяются продольные волны? поперечные? 6. Как движутся частицы в волнах на поверхности воды?