Волновое движение. Продольные и поперечные волны

При изучении закономерностей распространения механических колебаний в газах, жидкостях и твердых телах, как правило, отвлекаются от молекулярного строения этих тел и рассматривают их как сплошную среду, непрерывно распределенную в пространстве. Под частицей среды, совершающей вынужденные колебания, будем понимать малый элемент ее объема, размеры которого во много раз больше межмолекулярных расстояний, так что в нем содержится очень большое число молекул.

Деформация называется упругой, если она полностью исчезает после прекращения воздействия. Если в какой – либо среде (твердой, жидкой, газообразной) возникают только упругие деформации, то среда называется упругой. Если в такой среде возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание начнет распространяться в среде от частицы к частице с некоторой скоростью . Процесс распространения колебаний в упругой среде называется механической (или упругой) волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не переносятся волной, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Если колебания частиц происходят в направлении распространения волны, то волна называется продольной. Если колебания частиц перпендикулярны к направлению распространения волны, то волна называется поперечной.

Рассмотрим поперечную волну (рис.2.1). Пусть частицы 1,2,3 и так далее отстоят друг от друга на расстоянии , где Т – период колебаний частиц. В момент времени =0 волна, распространяясь вдоль оси Х слева направо, достигла частицы 1, вследствие этого частица 1начала смещаться из положения равновесия вверх, увлекая за собой следующие частицы. Спустя четверть периода частица 1 достигла крайнего верхнего положения, одновременно начинает смещаться из положения равновесия частица 2. Спустя еще четверть периода первая частица будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлении сверху вниз, вторая частица достигнет крайнего верхнего положения, а третья частица начинает смещаться вверх из положения равновесия. В момент времени t=T первая частица закончит полный цикл колебаний и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в начальный момент. Волна к моменту времени t=T достигнет точки 5, пройдет путь .

Все время, пока существует волна, частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия, причем, как видно из рисунка 2.1, различные частицы колеблются со сдвигом по фазе. Частицы, отстоящие друг от друга на расстояние , колеблются в одинаковой фазе. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длинной волны l. Очевидно l= , или , где n=1/Т - частота колебаний.

В действительности колеблются не только частицы, расположенные на оси Х,

а совокупность частиц, заключенных в некотором объеме. Геометрическое место

точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом

волны. Это поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в

волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Если волновые поверхности – параллельные плоскости, то волна называется плоской, если волновые поверхности – концентрические сферы с центром в источнике волны, волна называется сферической.

Волновое уравнение в пространстве. Плоская гармоническая волна. Длина волны, волновое число, фазовая скорость. Одномерное волновое уравнение. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах

Уравнением волны называется зависимость от координат и времени параметров среды при прохождение в ней волны . Эта функция должна быть периодической как относительно времени, так и относительно координат.

Найдем функцию в случае плоской поперечной волны, полагая, что колебания носят гармонический характер, а волна распространяется в направлении оси Х (рис.2.2).

Рассмотрим точку М, которая является источником колебаний. Ее колебания относительно положения равновесия (точки О) описываются уравнением время t будем отсчитывать от начала колебаний точки М. Через время t колебания достигаютточки В, которая начинает колебаться относительно своего положения равновесия точки О₁ .Волновой процесс распространяется при этом на расстояние ОО₁=x. Найдем уравнение колебаний точки В относительно ее положения равновесия О₁. Обозначим время от начала колебаний в О₁ до рассматриваемого момента через t_1, тогда отклонение точки В через время t₁ после начала колебаний равно _, однако t=t + t₁, т.е. t₁= t - t, тогда

(2.1)

За время Т колебание распространилось на l, а за t - на расстояние ,т.е.

(2.2)

Подставим (2.2) в (2.1):

(2.3)

Величина называется волновым числом, тогда - это уравнение волны, определяющее смещение любой точки В волнового фронта для любого момента времени t, отсчитываемого от момента возникновения колебания в начале О, по отношению к которому дана координата х точки В. Уравнение волны, распространяющейся в сторону убывания х , отличается только знаком: .

Здесь - фаза точки В в момент t. В этот же момент времени фаза точки М равна wt= 2pt/T, тогда называют разностью фаз колебаний в точках М и В. Тогда уравнение волны (2.3) примет вид: . Таким образом,

(2.4)

- путь волны в долях длины волны, запаздывание в долях периода и разность фаз в долях окружности выражаются одним и тем же числом. Уравнение колебаний точки В имеет вид:

(2.5)

Дважды дифференцируем уравнение волны (2.3) по х, имеем

(2.6)

Подставим (2.6) в (2.5): учитывая, что получаем

(2.7)

Это общее уравнение волны, распространяющейся в направлении Х. Оно связывает величины , х, t для любой точки при прохождении волны через эту точку.

Для волны, распространяющейся в произвольном направлении , уравнение волны имеет вид

где - лаплассиан . Решение этого уравнения .

При выводе уравнения (2.3) мы предполагали, что амплитуда колебаний не зависит от х. Для плоской волны это наблюдается в тех случаях, когда энергия волны не поглощается средой. При распространении в поглощающей энергию среде интенсивность волны по мере удаления от источника уменьшается, следовательно, уменьшается и амплитуда - волна затухает. В однородной среде такая волна описывается уравнением , где - амплитуда в точках плоскости r=0.

Теперь найдем уравнение сферической волны. Всякий реальный источник волн обладает некоторой протяженностью. Однако на расстояниях r много больших размеров источника, последний можно считать точечным. В изотропной и однородной среде волна, распространяющаяся от точечного источника, будет сферической. Пусть фаза колебаний источника равна . Тогда точки, лежащие на волновой поверхности радиуса r, будут колебаться с фазой Амплитуда колебаний в этом случае, даже если энергия волны не поглощается средой, не остается постоянной – она убывает с расстоянием от источника по закону , поэтому уравнение сферической волны имеет вид

где а - амплитуда колебаний на расстоянии 1м от источника. Дли поглощающей среды

Итак, скорость распространения волны есть скорость распространения колебательного процесса, не совпадающая со скоростью колебаний отдельных частиц среды, которые осуществляют этот процесс. Величина скорости зависит и от того, в каком направлении ее измерять.

Скорость перемещения в пространстве точек волновой поверхности, колеблющихся в одной фазе, называется фазовой скоростью волны (в рассматриваемых ранее уравнениях – фазовая скорость) Фазовая скорость поперечных волн в изотропной однородной среде , где s - модуль сдвига, r - плотность среды. Распространение продольных волн в тонком длинном стержне связанно с его продольным растяжением и сжатием, фазовая скорость таких волн , где Е – модуль Юнга для стержня.

Энергия волны

Рассмотрим плоскую продольную волну, распространяющуюся в направление оси Х. Пусть волна является бегущей, т.е. ее распространение связанно с распространением в пространстве энергии колебаний. Уравнение волны

(2.8)

Выделим в среде элементарный объем настолько малый, что скорости движения и деформации во всех его точках одинаковы.

Выделенный объем обладает кинетической энергией

где - масса объема, - скорость. Разделив эту энергию на величину объема, получим объемную плотность кинетической энергии

(2.9)

Рассматриваемый элемент объема обладает потенциальной энергией упругой деформации. Чтобы найти эту энергию, представим выделенный объем в виде стержня с площадью поперечного сечения S и длиной . Один конец стержня закреплен, ко второму приложим растягивающую силу и будем медленно увеличивать ее от 0 до . Удлинение стержня будет при этом меняться от 0 до х. По закону Гука где - коэффициент упругости. Работа силы упругости в этом процессе

Эта работа идет на увеличение упругой энергии U . т.е. Плотность этой энергии

(2.10)

где - напряжение, Е – модуль Юнга, - относительная деформация. Так как фазовая скорость волны , то , и объемная плотность потенциальной энергии равна

Под объемной плотностью энергии упругих волн понимают объемную плотность механической энергии среды, обусловленную распространением этих волн:

. (2.11)

Продифференцируем уравнение (2.8) сначала по времени, а затем по координате х

Подставив производные по координате и по времени в (2.11) и заменив , имеем

- в каждой точке среды, охваченной волновым движением, объемные плотности кинетической и потенциальной энергий являются одинаковыми функциями времени. Объемная плотность энергии волны изменяется с течением времени, это связанно с процессами распространения волн, так как волновой процесс сопровождается переносом энергии при вовлечении в колебательное движение все новых частиц. Поэтому объемная плотность энергии волн зависит как от координат, так и от времени.

Среднее за период значение объемной плотности энергии . Плотность энергии волны и ее среднее значение пропорциональны плотности среды , квадрату частоты и квадрату амплитуды .

Таким образом, среда, в которой распространяется волна, обладает дополнительной энергией, которая доставляется от источника колебаний в различные точки среды самой волной, т.е. волна переносит с собой энергию. Скорость переноса энергии волной равна скорости перемещения в пространстве поверхности, соответствующей максимальному значению объемной плотности энергии волны. Для синусоидальных волн эта скорость равна фазовой скорости (рис 2.3).

Количество энергии, переносимое волной через некоторую поверхность в единицу времени, называется потоком энергии через эту поверхность. Если через данную поверхность за время dt переносится энергия dW, то поток энергии Ф равен

Поток энергии в разных точках различен. Для характеристики значения энергии в разных точках пространства вводится вектор плотности потока энергии (вектор Умова). Он численно равен потоку энергии через единичную площадку, помещенную в данной точке перпендикулярно к направлению переноса энергии и направлен в сторону переноса энергии:

где - единичный вектор, совпадающий по направлению с распространением волны.

Очевидно, за время через площадку будет перенесена энергия , заключенная в объеме цилиндра с основанием и высотой , где - фазовая скорость волны, Тогда плотность потока энергии

здесь - вектор, численно равный фазовой скорости и направленный в сторону переноса энергии волной.

Интенсивностью волны I называется модуль среднего значения вектора Умова. Интенсивность волны численно равна энергии, переносимой волной за единицу времени сквозь единицу площади поверхности, нормальной к направлению распространения волны. Для синусоидальной волны

Поток энергии через некоторую поверхность S равен потоку вектора через эту поверхность

Среднее значение потока энергии через произвольную волновую поверхность незатухающей сферической волны ( в каждой точке поверхности векторы и совпадают):

где r – радиус волновой поверхности. Энергия волны не поглощается средой, поэтому средний поток энергии через сферу любого радиуса должен иметь одинаковое значение, т.е. выполняется соотношение

- амплитуда незатухающей сферической волны обратно пропорциональна расстоянию r от источника волны. Тогда средняя плотность потока энергии обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

В случае плоской затухающей волны амплитуда убывает с расстоянием по закону , и средняя плотность потока энергии (т.е. интенсивность) убывает по закону , где - коэффициент поглощения волны.

Поиск по сайту: