Что такое продольные механические волны
Волна, распространяющаяся в том же направлении, в котором происходят колебания частиц среды, называется продольной волной.
Образование продольной гармонической волны можно рассмотреть на следующем примере. В длинный стеклянный цилиндр (рис., а) вставлен с одного конца поршень, который совершает гармоническое колебание вдоль оси цилиндра.
Движение поршня вызовет колебания прилегающих к нему частиц воздуха и образование в воздухе участков сгущения, а затем на том же месте участков разрежения частиц. Вследствие упругости воздуха участки сгущения и разрежения частиц будут распространяться вдоль оси цилиндра, образуя продольную волну.
Пример возникновения механических волн
Рассмотрим ряд частиц воздуха, расположенных по оси цилиндра (рис., б). В начальный момент времени частицы воздуха занимают свои средние положения (рис , б-1). Двигаясь внутрь цилиндра, поршень вызывает сближение прилежащих к нему частиц. Максимальному смещению поршня (через четверть периода) соответствует максимальное сжатие прилежащих слоев воздуха и, следовательно, наибольшее сближение его частиц в этом участке (рис, б—2)
Через половину периода поршень возвратится в исходное положение, а участок наибольшего сжатия воздуха переместится вправо. Прилежащие к поршню частицы возвратятся вместе с ним в исходное положение (рис. б-3)
Через три четверти периода поршень отклонится максимально кнаружи, что вызовет наибольшее раздвижение ближайших к нему частиц. В прилежащем к поршню слое образуется разрежение воздуха. Это положение соответствует наибольшему смещению крайней частицы влево (рис. , б-4). Положение остальных частиц ясно из рисунков.
Через период поршень возвращается в исходное положение. Частицы около поршня занимают среднее положение. Колебание остальных частиц распространилось на полную длину волны (рис. , б-5).
Закон изменения смещения точек во времени при условии, что поршень совершает гармоническое колебание, также гармонический. Следовательно, и волна имеет гармонический характер.
Продольную волну, состоящую из чередующихся и перемещающихся по определенному направлению участков сгущения и разрежения частиц, можно показать, например, на модели, представляющей длинную проволочную спираль или пружину, свободно подвешенную на нитях (рис. 2). Если слегка ударить рукой по концу вдоль оси пружины, то на конце пружины образуется участок сближения витков, который вследствие упругости пружины будет перемещаться вдоль нее.
Затем на месте сближения витков образуется участок их разрежения, который также перемещается вдоль пружины вслед за участком сближения витков. Перемещение этих участков вдоль пружины и образует заметную на глаз продольную волну.
Характеристики продольной волны
Характеристики продольной волны (период или частота, амплитуда, длина волны) аналогичны характеристикам поперечной волны. Уравнение и график продольной волны также аналогичны уравнению и графику поперечной волны. Построение графика можно показать, если с помощью циркуля перенести смещения точек с горизонтальной оси (их действительное направление) на вертикальную, сохраняя их знак.
При распространении продольной волны в веществе происходит деформация сжатия (в жидкости и газе — объемного сжатия). Упругие силы связи между частицами, противодействующие сжатию, имеются во всех телах, поэтому продольные волны образуются в любых средах: твердых, жидких и газообразных.
Статья на тему Продольные механические волны