волна это такое движение
Волны
Волна (Wave, surge, sea) — образуется благодаря сцеплению частиц жидкости и воздуха; скользя по гладкой поверхности воды, поначалу воздух создаёт рябь, а уже затем, действует на ее наклонные поверхности, развивает постепенно волнение водной массы. Опыт показал, что водяные частицы не имеют поступательного движения; перемещается только вертикально. Морскими волнами называют движение воды на морской поверхности, возникающее через определённые промежутки времени.
Высшая точка волны называется гребнем или вершиной волны, а низшая точка — подошвой. Высотой волны называется расстояние от гребня до её подошвы, а длина это расстояние между двумя гребнями или подошвами. Время между двумя гребнями или подошвами называется периодом волны.
Содержание
Основные причины возникновения
В среднем высота волны во время шторма в океане достигает 7-8 метров, обычно может растянуться в длину — до 150 метров и до 250метров во время шторма.
Волны, наблюдаемые и в других водных пространствах, могут быть двух родов:
1) Ветровые, созданные ветром, принимающие по прекращении действия ветра установившийся характер и называемые установившимися волнами, или зыбью; Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.
2) Волны перемещения, или стоячие волны, образуются в результате сильных толчков на дне при землетрясениях или возбужденные, например, резким изменением давления атмосферы. Данные волны носят также название одиночных волн.
В отличие от приливов, отливов и течений волны в не перемещают массы воды. Волны идут, но вода остается на месте. Лодка, которая качается на волнах, не уплывает вместе с волной. Она сможет немного переместиться по наклонной, только благодаря силе земной гравитации. Частицы воды в волне движутся по кольцам. Чем дальше эти кольца от поверхности, тем меньше они становятся и, наконец, исчезают совсем. Находясь в субмарине на глубине 70-80 метров, вы не ощутите действие морских волн даже при самом сильном шторме на поверхности.
Виды морских волн
Волны могут проходить огромные расстояния, не изменяя формы и практически не теряя энергии, долго после того, как вызвавший их ветер утихнет. Разбиваясь о берег, морские волны высвобождают огрмную энергию, накопленную за время странствия. Сила непрерывно разбивающихся волн по-разному изменяет форму берега. Разливающиеся и накатывающиеся волны намывают берег и поэтому называются конструктивными. Волны, обрушивающиеся на берег, постепенно разрушают его и смывают защищающие его пляжи. Поэтому они называются деструктивными.
Низкие, широкие, закругленные волны вдали от берега называются зыбью. Волны заставляют частички воды описывать кружки, кольца. Размер колец уменьшается с глубиной. По мере приближения волны к покатому берегу частицы воды в ней описывают все более сплющенные овалы. Приближаясь к берегу, морские волны больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. На мелководье частицы воды больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. Мысы образованы из более твердой породы и разрушаются медленнее, чем соседние участки берега. Крутые, высокие морские волны подтачивают скалистые утесы у основания, образуя ниши. Утесы порой обрушиваются. Сглаженная волнами терраса — это все, что остается от разрушенных морем скал. Иногда вода поднимается по вертикальным трещинам в скале до вершины и вырывается на поверхность, образуя воронку. Разрушительная сила волн расширяет трещины в скале, образуя пещеры. Когда волны подтачивают скалу с двух сторон, пока не соединятся в проломе, образуются арки. Когда верх арки падает в море, остаются каменные столбы. Их основания подтачиваются, и столбы обрушиваются, образуя валуны. Галька и песок на пляже — это результат эрозии.
Деструктивные волны постепенно размывают берег и уносят песок и гальку с морских пляжей. Обрушивая всю тяжесть своей воды и смытого материала на склоны и обрывы, волны разрушают их поверхность. Они вжимают воду и воздух в каждую трещину, каждую расщелину, часто с энергией взрыва, постепенно разделяя и ослабляя скалы. Отколовшиеся обломки скал используются для дальнейшего разрушения. Даже самые твердые скалы постепенно уничтожаются, и суша на берегу изменяется под действием волн. Волны могут разрушать морской берег с поразительной быстротой. В графстве Линкольншир, в Англии, эрозия (разрушение) надвигается со скоростью 2 м в год. С 1870 г., когда был построен самый большой в США маяк на мысе Гаттерас, море смыло пляжи на 426 м в глубину побережья.
Цунами
Цунами — это волны огромной разрушительной силы. Они вызываются подводными землетрясениями или извержениями вулканов и могут пересекать океаны быстрее, чем реактивный самолет: 1000 км/ч. В глубоких водах они могут быть ниже одного метра, но, приближаясь к берегу, замедляют свой бег и вырастают до 30-50 метров, прежде чем обрушиться, затопляя берег и сметая все на своем пути. 90% всех зарегистрированных цунами отмечено в Тихом океане.
Наиболее распространённые причины.
Около 80% случаев зарождения цунами являются подводные землетрясения. При землетрясении под водой происходит взаимное смещение дна по вертикали: часть дна опускается, а часть приподнимается. На поверхности воды происходят колебательные движения по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, — среднему уровню моря, — и порождает серию волн. Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Цунамигенным (то есть порождающим волну цунами) обычно является землетрясение с неглубоко расположенным очагом. Проблема распознавания цунамигенности землетрясения до сих пор не решена, и службы предупреждения ориентируются на магнитуду землетрясения. Наиболее сильные цунами генерируются в зонах субдукции. Также, необходимо чтобы подводный толчок вошёл в резонанс с волновыми колебаниями.
Оползни. Цунами такого типа возникают чаще, чем это оценивали в ХХ веке (около 7 % всех цунами). Зачастую землетрясение вызывает оползень и он же генерирует волну. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 1100 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты более 524 м. Подобного рода случаи достаточно редки и, не рассматриваются в качестве эталона. Но намного чаще происходят подводные оползни в дельтах рек, которые не менее опасны. Землетрясение может быть причиной оползня и, например, в Индонезии, где очень велико шельфовое осадконакопление, оползневые цунами особенно опасны, так как случаются регулярно, вызывая локальные волны высотой более 20 метров.
Вулканические извержения составляют примерно 5% всех случаев цунами. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются не только волны от взрыва, но вода также заполняет полости от извергнутого материала или даже кальдеру, в результате чего возникает длинная волна. Классический пример — цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году. Огромные цунами от вулкана Кракатау наблюдались в гаванях всего мира и уничтожили в общей сложности более 5000 кораблей, погибло около 36 000 человек.
Признаки появления цунами.
Волны-убийцы
Волны-убийцы (Блужда́ющие во́лны, волны-монстры, freak wave — аномальная волна) — гигантские волны, возникающие в океане, высотой более 30 метров, обладают несвойственным для морских волн поведением.
Еще каких-то 10-15 лет назад ученые считали истории моряков об исполинских волнах-убийцах, которые возникают из ниоткуда и топят корабли, всего лишь морским фольклором. Долгое время блуждающие волны считались выдумкой, так как они не укладывались ни в одну существовавшую на то время математические модели расчётов возникновения и их поведения, потому как волны высотой более 21 метра в океанах планеты Земля не могут существовать.
Одно из первых описаний волны-монстра относится к 1826 году. Её высота была более 25 метров и заметили её в Атлантическом океане недалеко от Бискайского залива. Этому сообщению никто не поверил. А в 1840 году мореплаватель Дюмон д’Юрвиль рискнул явиться на заседание Французского географического общества и заявить, что своими глазами видел 35-метровую волну. Присутствующие подняли его на смех. Но историй о громадных волнах-призраках, которые появлялись внезапно посреди океана даже при небольшом шторме, и своей крутизной походили на отвесные стены воды, становилось все больше.
Исторические свидетельства «волн-убийц»
Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метров, названная волной Дропнера. Проект «Максимальная волна» позволил по-новому посмотреть на причины гибели сухогрузов судов, которые перевозили контейнеры и другие немаловажные грузы. Дальнейшие исследования зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 20 метров. Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн), в котором предусматривается составление всемирной карты наблюдавшихся волн-монстров и её последующую обработку и дополнение.
Существует несколько гипотез о причинах возникновения экстремальных волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений. Эти структуры, однако, слишком специфичны для того, чтобы механизм фокусировки энергии мог объяснить систематическое возникновение экстремальных волн. Наиболее достоверное объяснение возникновения экстремальных волн должно основываться на внутренних механизмах нелинейных поверхностных волн без привлечения внешних факторов.
Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.
Впрочем, полностью прояснить природу аномальных волн пока не удалось.
Волны в физике — что это такое, виды, характеристики, примеры
Каждый день вас окружает множество волн. В этой статье вы узнаете, что это такое и какими свойствами они обладают.
Простое объяснение волн с точки зрения физики
В качестве концепции вы можете представить волну как форму с последовательными восходящими и нисходящими частями. К этой категории относится, например, волна воды.
Однако эти части, поднимающиеся и опускающиеся вверх и вниз, не являются случайными по форме и расположению, а следуют очень определенной схеме. Этот паттерн показывает, как частицы среды, в которой распространяется волна, колеблются вверх и вниз. Частицы «возмущаются» волной определенным образом.
Определение: под волной можно представить возмущение в среде, которое движется с фиксированной формой и постоянной скоростью.
На рисунке 1 показано, например, как такое возмущение в виде холма движется по веревке слева направо. Во время движения частицы веревки поднимаются вверх от переднего конца возмущения и тянутся вниз от заднего конца.
Рис. 1. Волна как возмущение в веревке
От света, который вам нужен, чтобы видеть, до звука, который вам нужен, чтобы слышать, до интернет-сигнала, который вам нужен для работы в Интернете, — все это волны. Как видите, волны — неотъемлемая часть жизни человека.
Виды волн
В этом подразделе мы рассмотрим различные виды волн и то, к какой области теоретической физики они относятся.
Поперечные и продольные волны
Например, в волне воды, которая движется слева направо, отдельные частицы воды колеблются вверх и вниз. Поэтому движение частиц перпендикулярно движению волны. Эти типы волн называются поперечными и могут быть поляризованными.
Звуковые волны (также называемые для краткости звуком), которые позволяют вам слышать, являются примером продольных волн. В продольных волнах частицы вовлеченной среды колеблются в направлении движения волны. Поэтому движение частиц параллельно движению волн.
Рис. 2. Поперечная волна и продольная волна
Волны в физике
Следующий список дает вам представление о том, с какими волнами вам, возможно, придется иметь дело в той или иной области физики:
Волна — это тип возмущения, которое распространяется с фиксированной формой. В этом разделе мы рассмотрим его свойства и поведение. Мы рассмотрим следующие моменты немного подробнее:
Характеристики волн
Чтобы описать характеристики, рассмотрим частный случай синусоидальных волн. В синусоидальных волнах восходящие и нисходящие части повторяют форму синусоидальной кривой.
Из этой схемы (паттерна) (рисунок 3) мы выделили следующий фрагмент: кривая начинается с нуля, идет к самой низкой точке, затем возвращается к нулю, продолжается до самой высокой точки и, наконец, возвращается к нулю.
Рис. 3. Синусоидальная волна
Амплитуда.
Расстояние по вертикали между высокой или низкой точкой и нулевой точкой называется амплитудой. Амплитуда обеспечивает барьер, внутри которого задерживаются восходящие и нисходящие части волны.
Например, если амплитуда водной волны составляет 2 метра, это означает, что при движении морской волны частицы воды поднимаются на максимальную высоту 2 метра.
Частота и длина волны.
Вы также можете представить себе синусоидальную волну следующим образом: мы копируем выбранный кусок и вставляем его бесконечное количество раз как слева, так и справа от него. Таким образом, этот выбранный фрагмент уже определяет поведение волны. Термин для этого — период.
Мы можем охарактеризовать этот период двумя способами:
Важно знать! Расстояние по горизонтали между двумя последовательными максимумами (самая высокая точка) или минимумом (самая низкая точка) часто называется длиной волны.
Рис. 4. Характеристики волн
Скорость распространения волны.
Длина волны и частота волны тесно связаны между собой.
Важно знать! Скорость распространения волны = длина волны * частота волны.
Например, если вы раскачиваете веревку вверх и вниз, создавая «веревочную волну», скорость распространения говорит вам о том, как быстро удаляется от вас высокая точка (или любой другой участок) волны.
Отражение, преломление и дифракция волн.
Если волна попадает в другую среду, могут произойти следующие два явления:
Например, когда свет от солнца попадает на поверхность воды, среда меняется с воздуха на воду. Это приводит к тому, что часть света отражается, а часть преломляется. Это также является причиной того, что вы можете увидеть солнце, например, в луже воды.
Теперь для того, чтобы что-то произошло, волна не обязательно должна попасть на новый носитель. Если внутри текущей среды поместить препятствие, например, в виде стены с одним прямоугольным проходом, то может возникнуть явление дифракции (см. рисунок 5). Проще говоря, дифракция описывает явление, когда волна после прохождения не движется по прямой линии.
Рис. 5. Отражение, преломление и дифракция волн
Суперпозиция волн.
До сих пор мы рассматривали только одну волну. Но что происходит, когда две (или более) волны сталкиваются? Возникает явление, которое называется суперпозицией волн. Однако эта суперпозиция не возникает каким-то образом, а следует определенному принципу, который мы знаем под названием «принцип суперпозиции».
Чтобы объяснить принцип суперпозиции в случае волн, давайте снова рассмотрим синусоидальные волны. Каждая точка на синусоиде дает вам значение, которое является мерой силы отклонения частиц.
Принцип суперпозиции простыми словами: в каждой точке пространства, где встречаются две волны, вы складываете значения двух синусоид. Итог этого сложения дает результирующую волну.
В соответствии с принципом суперпозиции различные явления могут наблюдаться в суперпозиции. К ним относятся, в частности:
Музыкальные инструменты создают стоячие волны посредством суперпозиции. Эти стоячие волны, в свою очередь, вибрируют в окружающем воздухе, создавая звуковые волны, которые доходят до ваших ушей и в конечном итоге позволяют вам услышать музыку.
Механические волны и электромагнитные волны
В этом разделе мы рассмотрим конкретные примеры механических и электромагнитных волн.
Механические волны
Волны, для распространения которых необходима среда, называются механическими волнами. Без среды механические волны не могут распространяться. В идеальном вакууме, например, звуковая волна не может распространяться.
Когда возникает механическая волна, периодическое движение одной частицы среды передается соседним частицам по мере того, как волна движется через среду. Частицы определенным образом «механически» связаны друг с другом.
Самым важным примером механической волны является звук. Звук окружает вас каждый день, будь то разговор с друзьями или прослушивание музыки. Звуковые волны позволяют вам слышать. Они возникают в результате вибрации частиц воздуха.
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны не нуждаются в среде для распространения. Если для их распространения не нужна среда, то что тогда колеблется? Электромагнитная волна состоит из электрического и магнитного полей. И именно эти поля колеблются вверх и вниз.
Помните! Периодически изменяющееся электрическое поле приводит к возникновению магнитного поля, которое также периодически изменяется, и наоборот, — таким образом происходит генерация электромагнитной волны.
Например, свет солнца — это электромагнитная волна. Это означает, что электромагнитные волны, помимо всего прочего, отвечают за то, что вы можете что-то видеть. Но вам также нужны электромагнитные волны, чтобы иметь возможность совершать телефонные звонки или пользоваться Интернетом.
Волновое движение: характеристики, типы волн, примеры
Содержание:
В Волновое движение Он заключается в распространении возмущения, называемого волной, в материальной среде или даже в вакууме, если это свет или любое другое электромагнитное излучение.
Энергия распространяется в волновом движении, при этом частицы в среде не перемещаются слишком далеко от своих позиций, поскольку возмущение только заставляет их колебаться или непрерывно вибрировать вокруг места равновесия.
В случае света, который не нуждается в материальной среде, передаются колебания электрического и магнитного полей.
Характеристики волнового движения
У волн есть несколько характерных атрибутов, которые мы можем сгруппировать по их природе:
Давайте посмотрим на схематическое изображение простой волны как периодической последовательности пиков и впадин. Рисунок представляет собой немного больше, чем цикл или что то же самое: полное колебание.
Пространственные характеристики волн
Эти элементы являются общими для всех волн, включая свет и звук.
Временные характеристики волн
Типы волн
Существуют разные типы волн, так как они классифицируются по нескольким критериям, например, их можно классифицировать по:
Волна может быть одновременно нескольких типов, как мы увидим ниже:
— Волны в соответствии с колебаниями среды
Частицы, составляющие среду, обладают способностью по-разному реагировать на возмущение, таким образом они возникают:
Поперечные волны
Частицы в среде колеблются в направлении, перпендикулярном возмущению. Например, если у нас есть горизонтально натянутая струна, которая возмущается с одного конца, частицы колеблются вверх и вниз, а возмущение распространяется горизонтально.
Электромагнитные волны также распространяются таким же образом, независимо от того, перемещаются они в материальной среде или нет.
Продольные волны
— Волны в зависимости от среды, в которой они распространяются
Механические волны
Им всегда требуется материальная среда для распространения, которая может быть твердой, жидкой или газовой. Звук также является примером механической волны, а также волн, которые образуются в натянутых струнах музыкальных инструментов и тех, которые распространяются по всему земному шару: сейсмических волн.
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Здесь нет колеблющихся частиц, но есть электрическое и магнитное поля, которые взаимно перпендикулярны, и в то же время перпендикулярны направлению распространения.
Спектр электромагнитных частот очень широк, но мы почти не воспринимаем нашими чувствами узкую полосу длин волн: видимый спектр.
— Волны по направлению распространения
В зависимости от направления распространения волны могут быть:
Если у нас есть натянутая струна, возмущение распространяется по всей длине, то есть в одном измерении. Это также происходит, когда пружина или гибкая пружина, например обтягивающий.
Но есть волны, которые движутся по поверхности, например, по поверхности воды, когда камень бросают в пруд, или волны, которые распространяются в земной коре, в этом случае мы говорим о двумерных волнах.
Наконец, есть волны, непрерывно движущиеся во всех направлениях в пространстве, такие как звук и свет.
— Волны в зависимости от их протяженности
Волны могут распространяться на большие площади, например световые, звуковые и сейсмические. Вместо этого другие ограничены меньшим регионом. Вот почему они также классифицируются как:
Бегущие волны
Когда волна распространяется от своего источника и не возвращается к нему, у вас есть бегущая волна. Благодаря им мы слышим звук музыки, который доносится из соседней комнаты, и солнечный свет достигает нас, который должен пройти 150 миллионов километров в космосе, чтобы осветить планету. Он делает это с постоянной скоростью 300 000 км / с.
Стоячие волны
В отличие от бегущих волн, стоячие волны перемещаются в ограниченной области, например, возмущение в струне музыкального инструмента, такого как гитара.
Гармонические волны
Гармонические волны бывают циклическими или периодическими. Это означает, что возмущение повторяется через каждый определенный постоянный интервал времени, называемый период волны.
Гармонические волны можно математически смоделировать с помощью функций синуса и косинуса.
Непериодические волны
Если возмущение не повторяется через определенный интервал времени, волна не является гармонической и ее математическое моделирование намного сложнее, чем моделирование гармонических волн.
Примеры волнового движения
Природа постоянно представляет нам примеры волнового движения, иногда это очевидно, а иногда нет, как в случае со светом: откуда мы знаем, что он движется как волна?
Волновая природа света обсуждалась веками. Таким образом, Ньютон был убежден, что свет представляет собой поток частиц, а Томас Янг в начале девятнадцатого века показал, что он ведет себя как волна.
Наконец, сто лет спустя Эйнштейн, ко всеобщему спокойствию, подтвердил, что свет был двойным: волна и частица одновременно, в зависимости от того, изучается ли его распространение или способ взаимодействия с материей.
Кстати, то же самое происходит с электронами в атоме, они тоже двойственные сущности. Это частицы, но они также испытывают явления, уникальные для волн, такие как, например, дифракция.
Давайте теперь рассмотрим несколько повседневных примеров очевидного волнового движения:
Пирс
Мягкая пружина, пружина или обтягивающий Он состоит из спиральной пружины, с помощью которой можно визуализировать продольные и поперечные волны, в зависимости от того, каким образом она нарушается на одном из ее концов.
Струны музыкальных инструментов
При нажатии на инструмент, такой как гитара или арфа, вы наблюдаете, как стоячие волны движутся вперед и назад между концами струны. Звук струны зависит от ее толщины и напряжения, которому она подвергается.
Чем плотнее струна, тем легче по ней распространяется возмущение, как и при более тонкой струне. Можно показать, что квадрат скорости волны v 2 дан кем-то:
Звук
У нас есть голосовые связки, с помощью которых издаются звуки для общения. Его вибрация ощущается, когда во время разговора кладут пальцы на горло.
Морские волны
Они распространяются в океанических телах на границе между водой и воздухом и вызываются ветрами, которые заставляют небольшие порции жидкости перемещаться вперед и назад.
Эти колебания усиливаются действием различных сил, помимо ветра: трения, поверхностного натяжения жидкости и постоянно присутствующей силы тяжести.
Сейсмические волны
Земля не является статичным телом, поскольку внутри нее происходят возмущения, проходящие через разные слои. Они воспринимаются как толчки, а иногда, когда они несут много энергии, как землетрясения, способные нанести большой ущерб.
Строение атома
Современные атомные теории объясняют структуру атома аналогией со стоячими волнами.
Решенные упражнения
Упражнение 1
Звуковая волна имеет длину волны 2 см и распространяется со скоростью 40 см за 10 с.
Решение для
Используя предоставленные данные, мы можем рассчитать скорость волны, так как она распространяется со скоростью 40 см за 10 с, поэтому:
v = 40 см / 10 с = 4 см / с
Решение б
Ранее связь между скоростью, длиной волны и периодом была установлена как:
T = λ / v = 2 см / 4 см / с = 0,5 с.
Решение c
Поскольку частота обратно пропорциональна периоду:
Упражнение 2.
Струна растягивается под действием силы 125 Н. Если ее линейная плотность μ равна 0,0250 кг / м, какова будет скорость распространения волны?
Решение
Ранее мы видели, что скорость зависит от натяжения и линейной плотности веревки следующим образом:
v 2 = 125 Н / 0,0250 кг / м = 5000 (м / с) 2
Извлекаем квадратный корень из этого результата: