При волновом движении происходит перенос энергии, которая состоит из кинетической и потенциальной энергий колеблющихся частиц среды. Причем потенциальная энергия обусловлена деформацией вещества при взаимном смещении частиц. В отличие от колебаний свободного тела в волне не происходит взаимного перехода кинетической и потенциальной энергии частиц. Мгновенные значения той и другой энергии изменяются одновременно (в фазе) соответственно изменению смещения частиц.
Для мгновенного значения энергии (потенциальной и кинетической) одной частицы можно записать:
, (18)
где S- смещение частицы, w- частота колебания частицы, A- амплитуда колебания частицы, V- скорость волнового процесса, в котором участвует частица, m – масса одной частицы.
Из формулы 18 следует, что мгновенные значения энергии каждой частицы среды изменяются во времени с удвоенной частотой колебания, причем в каждый момент времени эти значения для различных частиц отличаются. Однако среднее значение энергии за период колебания для всех частиц одинаково и составляет: eср =.
Рассчитаем энергию волны для некоторого объема DV среды, в которой она распространяется.
DV
Если в единице объема среды содержитсяNчастиц, то r = Nm —плотность среды и среднее значение энергии волны в объеме DV будет:
Еср =(19)
где — объемная плотность энергии волны.
Величина, численно равная средней энергии Еср, переносимой волной в единицу времени t через заданную поверхность S, перпендикулярную направлению распространения волны, называется потоком энергии через эту поверхность:
Ф = (20)
и измеряется в единицах мощности - Вт.
Поток энергии, приходящийся на единицу поверхности, называется плотностью потока энергии:
(21)
и измеряется в Вт/м2. Плотность потока энергии называют также интенсивностью волны.
В векторной форме:
. (22)
Плотность потока энергии, переносимого волной, можно рассматривать как вектор, совпадающий по направлению с вектором скорости волны.
Вектор , показывающий направление распространения волны и равный потоку энергии, проходящему через единичную площадку, перпендикулярную этому направлению, называют вектором Умова:
. (23)
Вектор Умова для упругой волны зависит от плотности среды, квадрата амплитуды колебания частиц, квадрата частоты колебаний и скорости распространения волны.
Николай Алексеевич Умов (1846-1915) является исследователем потока энергии. Идеи о движении энергии были изложены в его диссертации "Уравнения движения энергии в телах", защищенной им в 1874 году на физико-математическом факультете Московского университета. И только через десять лет к таким же выводам о движении энергии пришел английский физик Пойнтинг. Имя Умова вошло в историю физики.
5 минут
Заключение
Мы рассмотрели биомеханические закономерности, являющимися основанием, функционирования системы организма, распространения волн упругой деформации, сокращения и расслабления мышц, конвекционное движение биологических жидкостей и легочного газа.