Откуда берутся волны и какие они бывают?
04 Апр Откуда берутся волны и какие они бывают?
Написано 15:00h в Серфинг автор adminВ этой статье мы расскажем о том, откуда берутся волны и о том, какие они бывают. Ведь волны — уникальный природный феномен, который дарит сёрферам множество эмоций и ощущений, заставляя отказаться от многого. Сёрфинг — это волны. А хороший серфинг невозможен без знаний о том, как рождаются волны, что влияет на их скорость, силу и форму, а также без понимания того, что каждая волна непохожа на другую.
Откуда берутся волны в океане
Всё дело в свелле. Если бы не свелл — не было бы волн. Что такое свелл? Свелл это энергия ветра, переданная волнам. Свеллы бывают нескольких видов, ветровой и донный (groundswell, накат):
- Исходя из названия, ветровой свелл образуется из-за ветра. Такой свелл появляется, когда ветер дует прямо у берега (например, во время шторма) и создаёт чоп (хаотичное волнение на поверхности океана). Ветровой свелл не очень подходит для сёрфинга.
- Свелл, благодаря которому на берегу океана образуются серфовые волны, называется донным. Это именно то, откуда берутся волны, интересующие серферов.
Как зарождается свелл
Далеко в океане бушует шторм с сильными ветрами. Эти ветры начинают волнение на воде. Чем сильней ветер, тем больше размер волны. Определённой скорости ветра соответствует совершенно определённый размер волны. Она работает как парус и позволяет ветру себя разогнать и сделать больше.
Когда волны достигают максимально возможных размеров, они начинают путешествие к дальним берегам в ту сторону, куда дует ветер. Через некоторое время волны становятся похожими друг на друга — бОльшие из них поглощают маленькие, а быстрые съедают медленные. Получившаяся в результате группа волн, примерно одного размера и одной мощности, называется свеллом. Свелл может пройти сотни, а то и тысячи километров, прежде чем достигнет береговой линии.
Когда свелл приближается к меньшим глубинам, нижние потоки воды сталкиваются с дном, замедляются и им некуда деваться кроме как двигаться наверх, выталкивая всю воду над ними. Когда вода уже не может выдержать собственный вес — она начинает рушиться. Собственно, вот откуда берутся волны, на которых можно серфить.
Виды волн
- Клозауты (close-out) закрываются по всей длине целыми секциями. Не самый подходящий вариант для катания, если только вы не учитесь кататься в пене. Когда размер волн больше 2 метров, то такие волны могут быть опасны. Распознать клозауты можно по ширине пика волны, который может достигать нескольких метров.
- Пологие волны (Spilling waves) неспеша подходят к берегу и, благодаря небольшому уклону дна, неторопливо начинают ломаться, не образуя резкой стенки и трубы. На такие волны нужно заранее начинать разгребаться, и они больше подходят для начинающих сёрферов и лонгбордистов.
- Трубящиеся волны (Plunging waves). Быстрые, мощные, резкие волны, которые образуют трубу. Возникают, когда свелл сталкивается с препятствием на своём пути. Например, это может быть выступающий риф или каменная плита. Такие волны мы привыкли видеть на сёрф-фото и в сёрф-видео. Позволяют делать проезды в трубе и эйры (прыжки). Опасны для начинающих сёрферов.
Виды сёрф-спотов
Характер волны определяется местом, где она встаёт, гакое место называется сёрф-спотом. Сёрф-споты разделяют на несколько видов.
- Бич-брейк (Beach-break): свелл приходит к пляжу с песчаным дном и волна, столкнувшись с намывом песка на дне, начинает ломаться. Особенность бич-брейков состоит в том, что пики встают в местах, где образуются песчаные намывы, а их форма и положение может меняться каждый день, в зависимости от ветра, подводных течений, движения приливов/отливов и других факторов.
- Риф-брейк (Reef-break). Этот вид сёрф-спота характеризуется наличием рифа на дне. В качестве рифа могут выступать как коралловые рифы, так и каменное дно в виде отдельных камней или целых плит. Форма, мощность и длина волны зависят от того, какой формы риф на дне океана. На споте с риф-брейком всегда можно предсказать, где будет вставать пик волны. Риф-брейки гораздо более опасны, чем бич-брейки, за счёт острых рифов и камней на дне. На Бали большинство сёрф-спотов является риф-брейками. Улувату, Баланган, Паданг-Паданг, Бату-Болонг и множество других.
- Поинт-брейк (Point-break) — это когда свелл сталкивается с какой-то преградой, выступающей из берега. Это может быть каменная гряда, мыс, небольшой полуостров. После столкновения волны огибают это препятствие и начинают ломаться друг за другом. В таких местах встают волны наиболее правильной формы, идут одна за одной, и могут подарить вам очень и очень длинные проезды. Примером пойнт-брейка на Бали является спот Медеви (Medewi).
Ветер и количество воды
Откуда берутся волны для катания или «унесенные ветром»
От ветра на берегу зависит качество волн. Самый правильный ветер для сёрфинга — это его отсутствие. Именно поэтому сёрферы встают в 4 утра или раньше, чтобы добраться до спота до рассвета, когда ветер не успел проснуться, а вода ещё зеркально-гладкая (glassy).
Если ветер всё-таки дует, то волны не испортятся (а иногда станут даже лучше), если он будет направлен с берега в океан. Такой ветер называют оффшор (offshore). Оффшор поддерживает волны от обрушения, делая их более резкими.
Ветер, который дует с океана на берег, называется
Также ветер может дуть вдоль берега, его называют кроссшор (cross shore). Здесь многое зависит от его силы и направления. Иногда кроссшор может несильно портить волны, а иногда может действовать также негативно, как оншор.
Приливы и отливы
Про приливы и то, как они влияют на волны, можно прочитать в этой статье
Анатомия волны
В строении волны выделяют несколько элементов:
Стенка (face/wall) — секция волны, где сёрфер проводит большую часть времени.
Плечо (shoulder) — место, где волна постепенно сходит на нет.
Подошва (trough) — самый низ волны.
Труба (tube/barrel) — место, где вода окружает сёрфера со всех сторон.
Теперь вы знаете, откуда берутся волны, но теория теорией, а по-настоящему познать волны можно лишь в процессе сёрфинга. Чем больше будете наблюдать за волнами и кататься на них, тем лучше вы будете читать океан, а это позволит вам ловить всё больше и больше отличных волн. А теперь доску подмышку и бегом кататься! 🙂
Сейсмические волны: какие они, характеристики и типы
Землетрясения или землетрясения возникают из-за движения тектонических плит. Это потому, что эти пластины находятся в непрерывном движении и выделяют энергию во время этого движения. Землетрясения могут быть вызваны извержениями вулканов, поскольку они считаются волнами энергии естественного происхождения. Мы воспринимаем сейсмические волны, исходящие из недр земли. Есть разные виды
В этой статье мы расскажем вам все, что вам нужно знать о различных типах сейсмических волн и их характеристиках.
Как формируются землетрясения
Само землетрясение — это сотрясение поверхности земли, возникающее в результате внезапного высвобождения энергии, исходящей из недр земли. Это высвобождение энергии происходит за счет движения тектонических плит, которые выделяют энергию во время своего движения. Они могут различаться по размеру и интенсивности. Некоторые землетрясения настолько слабые, что не ощущается сотрудничества. Однако другие
Набор землетрясений, происходящих в регионе, известен как сейсмическая активность. Это относится к частоте, типу и силе землетрясений, которые произошли в этом месте в течение определенного периода времени. На земной поверхности эти землетрясения проявляются в сотрясении земли и кратковременном смещении.
Они, как правило, встречаются почти повсюду на планете, как на краях тектонических плит, так и в разломах. Мы знаем, что наша планета имеет 4 основных внутренних слоя:
Сейсмические волны
Как мы упоминали ранее, землетрясение возникает из-за распространения сейсмических волн, происходящих внутри планеты. Мы определяем сейсмические волны как тип упругих волн, возникающих при распространении временных изменений в поле напряжений и вызывающих небольшие движения тектонических плит. Хотя мы называем у нас движение тектонических плит как таковое, мы должны знать, что это движение настолько заметно, что почти незаметно. И дело в том, что с годами тектонические плиты движутся медленнее, чем миллионы лет назад.
Следует отметить, что существуют разные типы сейсмических волн, которые могут создаваться искусственно. Например, люди могут создавать искусственные сейсмические волны с помощью взрывчатых веществ или методов добычи газа, таких как гидроразрыв.
Типы сейсмических волн
Давайте посмотрим, каковы основные типы существующих сейсмических волн и их характеристики. Как мы уже упоминали ранее, сейсмические волны распространяются из недр земли в земную кору. Однако на этом все не заканчивается.
Внутренние волны — это волны, которые проходят внутри земли. Мы знаем, что состав интерьера нашей планеты довольно сложен. Эта информация извлечена из того, что существуют различные типы сейсмических волн, которые следуют курдскими путями. Это эффект, подобный тому, который может иметь рефракция световых волн.
P-волны — это волны, которые возникают в сильно сжатых грунтах и расширяются в направлении распространения. Основная характеристика этих сейсмических волн заключается в том, что они могут проходить через любой материал, независимо от его состояния. С другой стороны, у нас есть волны S. Этот тип волн имеет смещение, перпендикулярное направлению распространения. Кроме того, он имеет более низкую скорость, чем волны P, поэтому они появляются намного позже в этой области. Эти волны не могут распространяться через жидкости.
Сейсмология — это наука, которая занимается изучением возникновения землетрясений. Так он изучает пространственное распределение во времени, механизмы в фокусе и выделение энергии. Изучение распространения сейсмических волн, создаваемых землетрясениями, позволяет получить информацию об их внутренней структуре, областях, в которых они образуются, и их распределении плотности и упругих постоянных. Благодаря сейсмическим волнам стало возможным получить большой объем информации о недрах земли.
важность
Благодаря этим сейсмическим волнам мы знаем, что они создаются землетрясениями и определяются механикой упругих сред. Это означает, что его скорость зависит от упругих характеристик среды, в которой он развивается, и его распределение можно изучить, наблюдая время пробега и амплитуду этих волн. Как мы уже упоминали ранее, существует два типа сейсмических волн. Они распространяются с разной скоростью. Самыми быстрыми и первыми являются волны P. Соответствуют так называемые продольные волны.
Последние имеют меньшую скорость и имеют поперечный характер. Это волны S. Изучение этих волн проводится по законам отражения и преломления., поскольку наша планета состоит из слоев, которые имеют разные материалы и состав. Траектории и время прибытия определяются с учетом плоских слоев, каждый из которых имеет постоянную скорость, или с учетом сферической земли.
На поверхности земли и в других неоднородностях земной коры возникают другие типы волн, которые, поскольку они распространяются вдоль этой поверхности, называются поверхностными волнами. Эти волны распространяются со скоростью ниже, чем у S-волн, и их величина также меньше, так как она уменьшается по глубине. Существует два типа поверхностных волн этого типа: волны Рэлея и волны Лява. Первые имеют вертикальное движение, а вторые — горизонтальное.
Надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о сейсмических волнах и их характеристиках.
Известно, что антенна радиопередатчика излучает электромагнитные волны. Какие из утверждений
Сколько км/ч в 5 лошадиных силах
ПОМОГИТЕ ПОЖАЛУЙСТА Чтобы система лебедок находилась в равновесии, какой должна быть величина силы f? (вес лебедки и сила трения лебедки не учитываютс … я).
Если бы свободный конец нити тянул вверх на 10см, на какую высоту тогда бы поднимался груз?
какова цена деления измерительного целиндра?
Определи, как будет двигаться автомобиль, если изначально он находится в движении? Красным цветом обозначена сила тяги, зелёным — сила трения
На ровном склоне горы, наклон которого к горизонту а = 30°, на высоте h 20 м друг над другом находятся два школьника. Они одновременно бросают камни с … одинаковыми скоростями: Нижний — перпендикулярно склону, верхний — в горизонтальном направлении. На каком минимальном расстоянии друг от друга пролетят камни, если вплоть до момента максимального сближения они ещё будут находиться в воздухе? Ответ выразите вм, округлив до десятых. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Бочка объемом 50 л доверху заполняется засаливаемыми на зиму огурцами. Плотность вещества огурцов 1100 кг/м3 . Средняя плотность огурцов в бочке 660 к … г/м3 . Сколько литров рассола надо приготовить для засолки?
Если к пружине приложили силу 50н равна ли эта сила силе упругости? если нет, то на что влияет сила прикладываемая к пружине?
Экспериментатор придал проволоке форму зигзага, образованного равными прямолинейными отрезками, повернутыми на угол 90º друг к другу (рис. 1). Затем о … н должен был отрезать фрагмент проволоки ровно посредине отрезков. У экспериментатора не оказалось линейки, чтобы наметить точки отреза, зато нашелся омметр. Он наметил такие точки A и B, что сопротивление зигзагообразной проволоки между ними (Рис. 1) уменьшалось в известное ему число раз после замыкания их прямолинейным отрезком той же проволоки. Во сколько раз должно было уменьшиться сопротивление?
В цилиндрической колбе линза льда плавает поверх слоя воды, прилегая к стенке колбы. Колба нагревается горелкой, сообщающей ей тепловую мощность N = 1 … 00 Вт. Определите скорость движения верхней границы льда. Плотность воды в 1000 кг/м3, плотность льда p = 900 кг/м3, удельная теплота плавления льда 330 кДж/кг, площадь основания колбы S = 50 см2. Считайте, что температура воды и льда 0 ºС.
О нас — Отель-пансионат «ВОЛНА» г. Светлогорск
Отель-пансионат «Волна» ★★★★ (он же Пансионат «Волна») – центр отдыха и здоровья – в городе Светлогорске, курорте федерального значения. Отель расположен на Балтийском побережье в тихой части города на живописном холме в 300 метрах от моря, в одном из самых уютных и экологически чистых уголков местности, в радиусе 50 км от которого нет производств. Вблизи комплекса находятся парк и озеро «Тихое» – завораживающе красивое место, идеально подойдет для вечерних пеших прогулок и водных катаний на лодках и катамаранах, а рядом в бювете можно попить минеральной водички и ощутить на себе целебную силу природного источника. Если вы не любите надолго покидать отель, то вам прекрасно подойдёт комфортный отдых на территории «Волны» – уютные беседки, кафе на пленэре, открытая терраса с музыкальным сопровождением, а также бары, бильярд – огромное разнообразие развлечений. Но это еще не всё, самое главное достоинство нашего отеля в том, что, помимо, отдыха, умиротворяющей и спокойной обстановки, приветливого персонала, вкусной кухни, домашней выпечки – вы можете пройти курс лечения в медицинском центре и попробовать комплексные программы по укреплению организма в СПА-центре отеля-пансионата «Волна».
Мы приглашаем гостей на отдых и лечение круглый год. В комплексе, предлагаемых нами услуг, сочетаются полноценный отдых для всей семьи, санаторно-курортное лечение, деловой туризм, а также широкий выбор оздоровительных процедур – программ СПА – центра. Все это в комплексе с великолепной природой, необычным ландшафтом, целебным морским воздухом помогут Вам получить удовольствие от отдыха, а также укрепить нервы и здоровье.
К Вашим услугам:
|
Для Вас бесплатно:
|
Светлогорск – город-курорт с уникальной историей – прусского Кенигсберга и российского прибрежного курорта. Городок небольшой, тихий, улочки узкие с пешеходными зонами. Архитектурное наследие немецких зодчих сочетается с домами советской постройки, а также новыми непривычно большими, но достаточно компактными комплексами. Несмотря на статус города-курорта, который славится природой, мягким климатом и лечебными программами, это далеко не все преимущества пребывания в Светлогорске. На сегодняшний день в городке кипит культурная жизнь: фестивали, концерты, КВН – это только несколько вариантов прекрасно отдохнуть и провести отпуск. Ждем в гости в отель-пансионат «Волна»!
|
|
||
| Я | Светлогорск | |
В Минздраве увидели возможность третьей волны COVID в России :: Общество :: РБК
В конце февраля доцент кафедры инфекционных болезней РУДН Сергей Вознесенский говорил, что третья волна коронавируса ожидалась после новогодних праздников, но подъема заболеваемости не произошло. Опрошенные РБК эксперты тогда допустили, что очередной подъем заболеваемости может произойти в середине весны. Однако называть это третьей волной не совсем корректно, отмечал инфекционист, главный врач медицинского центра «Лидер-Медицина» Евгений Тимаков. Он пояснил, что о волнах можно говорить в том случае, когда пандемия возникает, на какое-то время полностью прекращается и возвращается вновь. В России же было несколько подъемов и спадов заболеваемости.
VideoЧитайте на РБК Pro
Вирусолог, профессор МГУ Алексей Аграновский тогда заявил, что очередной всплеск заболеваемости может произойти осенью. Он также сообщил, что не является сторонником термина «волна», поскольку «коронавирус ведет себя как обычное острое респираторное вирусное заболевание».
Глава Федерального медико-биологического агентства (ФМБА) Вероника Скворцова в начале марта заявила, что, согласно современным математическим моделям, третья волна COVID-19 неизбежна, если не брать в расчет вакцинацию. По расчетам, волна должна начаться в мае этого года, пик ее придется на октябрь 2021-го, указала она. Чтобы избежать третьей волны коронавирусной инфекции в России, до мая необходимо привить четверть населения страны, отметила Скворцова. 20 февраля РБК по результатам опроса региональных оперативных штабов и минздравов сообщал, что во всех российских субъектах от коронавируса привились 3,23 млн человек — примерно 2,2% населения России. Лидерами по доле привившихся жителей стали Москва, а также Сахалинская и Магаданская области. На Сахалине к 18 февраля более 5,1% жителей (25 тыс. человек) получили как минимум одну дозу вакцины, в Москве — 4,73%, в Магаданской области — 4,2%.
Власти несколько раз корректировали свою позицию относительно развития эпидемии и вакцинации. В декабре министр здравоохранения Михаил Мурашко заявил, что новые очаги коронавируса в стране «требуют, наверное, рассмотрения определенного ограничения передвижения физических лиц, в том числе между субъектами, а также подчас и внутри субъектов». Но после этого его помощник Алексей Кузнецов уточнил, что фраза министра была вырвана из контекста и вводить новые ограничения он не предлагал. В марте 2021 года замдиректора ЦНИИ эпидемиологии Роспотребнадзора Наталья Пшеничная допустила, что повторная прививка «Спутником V» может быть избыточной, так как «компоненты вакцины будут уже разрушаться теми антителами, которые могут сохраняться в нашем организме». Позднее она же сказала, что сообщения о невозможности повторной вакцинации препаратом «Спутник V» на основе ее слов были «сформулированы некорректно».
параметры, виды волн, затухание и отражение
Дмитрий Левкин
Ультразвук — механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.
Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:
,
- где f – частота, Гц,
- T – период, с
Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны
Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:
,
- где λ – длина волны, м,
- с – скорость звука, м/с
В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]
,
- где cl – скорость звука для продольных волн, м/c,
- E – модуль упругости, Па,
- μ – коэффициент Пуассона,
- ρ – плотность, кг/м3
Для поперечных волн она определяется по формуле
,
- где ct – скорость звука для поперечных волн, м/с,
- G – модуль сдвига, Па
Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.
Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.
Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.
Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].
Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах
Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].
Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.
Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].
Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле
,
- где р — амплитуда звукового давления, Па
- v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
- ρ — плотность среды, кг/м3
- с — скорость звука, м/c
В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.
Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.
Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10-12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.
Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].
Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов [6]
| Материал | Плотность, кг/м3 | Скорость продольной волны, м/c | Скорость поперечной волны, м/c | Акустический импеданс, 103 кг/(м2*с) |
| Акрил | 1180 | 2670 | — | 3,15 |
| Воздух | 0,1 | 330 | — | 0,00033 |
| Алюминий | 2700 | 6320 | 3130 | 17,064 |
| Латунь | 8100 | 4430 | 2120 | 35,883 |
| Медь | 8900 | 4700 | 2260 | 41,830 |
| Стекло | 3600 | 4260 | 2560 | 15,336 |
| Никель | 8800 | 5630 | 2960 | 49,544 |
| Полиамид (нейлон) | 1100 | 2620 | 1080 | 2,882 |
| Сталь (низколегированный сплав) | 7850 | 5940 | 3250 | 46,629 |
| Титан | 4540 | 6230 | 3180 | 26,284 |
| Вольфрам | 19100 | 5460 | 2620 | 104,286 |
| Вода (293К) | 1000 | 1480 | — | 1,480 |
Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:
- убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
- рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
- поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.
Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r2, амплитуда волны убывает пропорционально r -1, а для цилиндрической волны — пропорционально r -1/2.
Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.
Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.
3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна e-δr, а интенсивность – e-2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ – коэффициент затухания звука [2].
Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).
Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]
,
- где α – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
- L – расстояние, м,
- p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па
Коэффициент затухания от времени определяется [5]
,
- где β – коэффициент затухания от времени, 1/с,
- T – время, с,
- p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па
Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае
,
Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].
,
- где A1 – амплитуда первого сигнала,
- A2 – амплитуда второго сигнала
Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:
,
Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м-1. Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 — основание натуральных логарифмов или число непера).
1 Нп/м = 8,68 дБ/м
При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:
,
- где Z – волновое сопротивление, кг/(м2с),
- ρ – плотность, кг/м3,
- с – скорость звука, м/с
Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом
,
- где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
- Z1 – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м2с),
- Z2 – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м2с)
,
- где D – коэффициент прохождения звукового давления
Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z1>Z2, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].
Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны
,
Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.
Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра
,
- где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
- r — расстояние точки наблюдения от этого объекта
Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.
Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.
В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].
К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.
,
Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.
Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.
Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.
Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].
Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя
Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой
,
- где N – длина ближней зоны, м,
- D – диаметр излучателя, м,
- λ – длина волны, м
Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду
,
Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля
Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].
- Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
- Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
- General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
- Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
- Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
- Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.
Библиографический список
«Влажная» кожа и холодные волны: какие причёски и макияж стоит выбрать на Новый год
Если с нарядом на Новый год ещё более или менее понятно (обязательно платье — чем наряднее, тем лучше, и не обойтись без туфелек на шпильках), то с причёской и макияжем всё намного сложнее. Выделять глаза или губы? Матировать или наносить хайлайтер? Использовать тени или сделать классические стрелки? А волосы — накручивать, выпрямлять, собирать в пучок или распускать по плечам?На прошлой неделе Клопс.Ru подготовил обзор самых актуальных трендов в одежде зимы 2016—2017, а теперь эксперты расскажут, какой мейк-ап и укладки стоит выбрать модницам в Новый год.
Визажист, стилист по причёскам Вера Дыева
Вера Дыева. Фото Ирины Хуторной. Фото предоставлено Верой Дыевой
«Стоит обратить внимание на обилие в этом сезоне блёсток и хайлайтера в макияже. Вернулась мода на чокеры, топы и обувь на платформе. И вместе с этим образом вернулась нарочитость и в макияже. Проявляется она в использовании ярких цветов, таких как фуксия, голубой и фиолетовый. Правда, позволить себе «носить» подобные цвета на лице может далеко не каждая девушка. В волосах также присутствуют небрежность и некоторая взъерошенность! Для тех, кто не готов рисковать — для консерваторов — всегда будет актуальна классика. А именно классика 50-х годов, которая характеризуется томным макияжем глаз, насыщенным винным оттенком губ и длинными ресницами. Что касается волос, то кукольные объёмные волосы сменяются «холодной волной», мягко обрамляющей лицо. Ну и конечно, стоит взять себе на заметку каждой девушке без исключения, что чистая, сияющая здоровьем кожа всегда будет привлекать внимание! Готова поделиться маленькими секретами: перед тем как делать макияж, хорошенько протрите лицо влажной салфеткой, смоченной дополнительно мицеллярной водой. Таким образом вы отшелушите и мягко очистите кожу, подготовив её к нанесению базы под макияж. Кстати, советую полностью отказаться от силиконовых баз в пользу увлажняющих. Тональную основу также лучше выбирать лёгкую, с тающей текстурой, а для проблемных зон использовать минеральный корректор, который не только скроет, но и подлечит воспаления, если они имеются на лице».
Нет: Матовому лицу и глянцевым губам.
Да: Сияющей «влажной» коже и матовым помадам, причём зачастую неестественных оттенков; «заросшим» бровям (но стоит помнить, что они должны быть ухоженными).
«Что касается волос, то, если посмотреть последние показы и следить за тенденциями, можно увидеть на подиуме множество укладок, оформленных в стиле «пляжные локоны», а именно «укладка без укладки»: накрученные в разные стороны и немного бесформенные локоны, в которых подчёркнуты только текстура волос и нарочитая беспорядочность. Такая укладка будет эффектно смотреться из-под вязаной шапочки с помпоном со снудом объёмной вязки.
А для любительниц классики — на заметку «холодная волна». Причём абсолютно не имеет значения, какая у вас длина волос! На коротких стрижках, которые были популярны в этом сезоне, «волнушки» смотрятся даже интереснее!»
Визажист, мастер по причёскам Кристина Хитрина
Макияж — Кристина Хитрина, модель — Арина Грузилова, фото — Виктория Хвостова. Фото предоставлено Кристиной Хитриной
«Подиумы мира взорвали пайетки. Буйство красо
волна | Поведение, определение и типы
Полная статья
волна , распространение возмущений с места на место регулярным и организованным образом. Наиболее известны поверхностные волны, движущиеся по воде, но звук, свет и движение субатомных частиц проявляют волнообразные свойства. В простейших волнах возмущение периодически колеблется ( см. периодическое движение) с фиксированной частотой и длиной волны. Механические волны, такие как звук, требуют среды, через которую они перемещаются, в то время как электромагнитные волны ( см. электромагнитное излучение) не требуют среды и могут распространяться в вакууме.Распространение волны в среде зависит от свойств среды. См. Также сейсмическую волну .
Виды и особенности волн
Волны бывают двух видов: продольные и поперечные. Поперечные волны подобны волнам на воде, поверхность которых движется вверх и вниз, а продольные волны подобны волнам звука, состоящим из чередующихся сжатий и разрежений в среде. Верхняя точка поперечной волны называется гребнем, а нижняя точка называется впадиной.Для продольных волн сжатия и разрежения аналогичны гребням и впадинам поперечных волн. Расстояние между последовательными гребнями или впадинами называется длиной волны. Высота волны — это амплитуда. Сколько гребней или впадин проходит определенную точку за единицу времени, называется частотой. Скорость волны можно выразить как длину волны, умноженную на частоту.
Волны могут перемещаться на огромные расстояния, даже если колебания в одной точке очень малы.Например, раскат грома можно услышать за километры, но разносимый звук в любой точке проявляется только в виде мельчайших сжатий и разрежений воздуха.
Волновое поведение
Волны демонстрируют несколько основных явлений. При отражении волна встречает препятствие и отражается обратно. При преломлении волна изгибается, когда входит в среду, в которой она имеет другую скорость. При дифракции волны изгибаются, когда проходят вокруг небольших препятствий, и распространяются, когда проходят через небольшие отверстия.При интерференции, когда две волны встречаются, они могут конструктивно интерферировать, создавая волну с большей амплитудой, чем исходные волны, или деструктивно, создавая волну с меньшей (или даже нулевой) амплитудой.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчасКогда волны ударяются о границу и отражаются, угол падения равен углу отражения. Угол падения — это угол между направлением движения волны и линией, перпендикулярной отражающей границе.
Воспринимайте преломление как изменение скорости волны при ее прохождении между различными средами.
Узнайте больше о преломлении.
Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статьеСкорость волны зависит от свойств среды, через которую она распространяется. Например, звук распространяется по воде намного быстрее, чем по воздуху. Когда волна входит в среду под углом, в котором ее скорость будет меньше, волна изгибается к перпендикуляру.Когда волна входит под углом в среду, в которой ее скорость увеличивается, происходит обратный эффект. В случае света это изменение можно выразить с помощью закона преломления Снеллиуса.
Откройте для себя дифракцию как свойство звука, электромагнитного излучения и мелких движущихся частиц.
Узнайте о дифракции звука, электромагнитного излучения и малых движущихся частиц.
Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео для этой статьиКогда волна встречает небольшое препятствие или небольшое отверстие (то есть маленькое по сравнению с длиной волны), волна может огибать препятствие или проходить сквозь него. открытие, а затем разложить.Это изгибание или расширение называется дифракцией.
Волны из двух или более центров возмущения могут усиливать друг друга в одних направлениях и отменяться в других. Это явление называется интерференцией волн. Легко понять, как это может произойти. Рассмотрим два источника, производящие волны одинаковой длины волны и синфазные; то есть в момент их возникновения гребни волн возникают одновременно. Если точка P равноудалена от обоих источников, гребни достигают точки P одновременно и усиливают друг друга.Точно так же ложбины приходят одновременно и становятся глубже. Такая же ситуация возникает, если расстояния до точки P не равны, но отличаются на одну или несколько полных длин волн. Если, однако, расстояния отличаются на половину длины волны или на нечетное число половин длины волны, то гребни одной волны будут совпадать с впадинами другой, и интенсивность результирующей волны уменьшится. Когда две такие волны имеют одинаковую интенсивность, они полностью гаснут друг друга. Промежуточные ситуации возникают в тех направлениях, в которых расстояния, пройденные двумя волнами, отличаются на какую-то другую долю длины волны, причем волны имеют тенденцию либо усиливать, либо гасить друг друга.
Примеры интерференцииКогда две волны одинаковой длины находятся в фазе, они образуют новую волну с амплитудой, равной сумме их индивидуальных амплитуд (конструктивная интерференция). Когда две волны имеют полностью противоположную фазу, они либо образуют новую волну уменьшенной амплитуды (частичная деструктивная интерференция), либо гасят друг друга (полная деструктивная интерференция). При взаимодействии волн с разными длинами волн возникают гораздо более сложные конструктивные и деструктивные интерференционные картины.
Британская энциклопедия, Inc.Когда источник волны движется относительно наблюдателя, наблюдатель замечает изменение частоты волны. Это изменение называется эффектом Доплера в честь его первооткрывателя, австрийского физика Кристиана Доплера.
Рассмотрим источник, излучающий волну, такую как свет или звук с частотой ν, удаляющийся от наблюдателя со скоростью v . Последовательные гребни световых волн будут достигать наблюдателя с более длинными интервалами, чем если бы наблюдатель находился в состоянии покоя, и расчет показывает, что наблюдатель будет принимать их с частотой ν (1- v / c ), где c — скорость волны.Наблюдателю будет казаться, что частота волны немного ниже, чем если бы источник находился в покое. Если источник приближается, частота будет выше.
В звуке этот эффект — повседневный опыт; когда по шоссе звучит гудок, наблюдатель может заметить, что высота звука изменилась. Эффект Доплера для световых волн очевиден в спектроскопии. Сдвиг к более высоким частотам называется синим смещением, а смещение к более низким частотам — красным смещением.Красный смещенный свет от других галактик свидетельствует о расширении Вселенной.
Если волна ограничена замкнутым пространством, она подвергается как отражению, так и интерференции. Например, рассмотрим трубку длиной l. Возмущение в любом месте воздуха в трубе будет отражаться от обоих концов и, как правило, производить серию волн, распространяющихся в обоих направлениях вдоль трубы. Исходя из геометрии ситуации и конечного постоянного значения скорости звука, это должны быть периодические волны с частотами, фиксируемыми граничными условиями на конце трубы.Допустимые частоты волн в трубке удовлетворяют sin k l = 0; т.е. допустимые частоты равны ν = n v /2 l , где n — любое целое число, а v — акустическая скорость в трубке. Это частоты гармонических волн, которые могут существовать в трубке и при этом удовлетворять граничным условиям на концах. Их называют характеристическими частотами или нормальными модами колебаний столба воздуха. Основная частота ( n = 1) равна ν = v /2 l .
Высокие частоты, называемые гармониками или обертонами, кратны основной частоте. Принято называть основную гармонику первой гармоникой; n = 2 дает вторую гармонику или первый обертон и так далее. Примерно тот же набор характеристических частот имеет место для цилиндрической трубки, открытой с обоих концов, хотя граничные условия разные.
В трубке есть места, в которых смещение воздуха всегда равно нулю.Это не может происходить в прогрессирующей волне; таким образом, волновое возмущение, соответствующее нормальному режиму, известно как стоячая волна. Положения непрерывного нулевого смещения известны как узлы, а положения, для которых наблюдается максимальное смещение, называются пучностями. Расстояние между последовательными узлами равно половине длины волны конкретной моды.
Эта статья была недавно отредактирована и обновлена старшим редактором Эриком Грегерсеном.Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:
Учебное пособие по физике: что такое волна?
Итак, волны везде.Но что делает волну волной ? Какие характеристики, свойства или поведение присущи явлениям, которые мы обычно характеризуем как волны? Как можно описать волны таким образом, чтобы мы могли понять их основную природу и качества?
Волна может быть описана как возмущение, которое распространяется через среду из одного места в другое. Рассмотрим обтягивающую волну в качестве примера волны. Когда обтягивающее изделие растягивается от края до края и удерживается в неподвижном состоянии, оно принимает естественное положение, известное как положение равновесия или положение покоя .Катушки обтягивающих, естественно, принимают это положение, разнесенные на одинаковое расстояние. Чтобы ввести волну в обтяжку, первая частица смещается или перемещается из положения равновесия или покоя. Частица может двигаться вверх или вниз, вперед или назад; но после перемещения он возвращается в исходное положение равновесия или покоя. Действие перемещения первой катушки обтяжки в заданном направлении с последующим ее возвращением в положение равновесия создает помеху в обтяжке.Затем мы можем наблюдать, как это возмущение движется через обтяжку от одного конца к другому. Если первой катушке обтекателя дается одиночная возвратно-поступательная вибрация, то мы называем наблюдаемое движение возмущения через обтяжку обтягивающим импульсом . Импульс — это одиночное возмущение, перемещающееся через среду из одного места в другое. Однако, если первая катушка обтяжки постоянно и периодически колеблется взад-вперед, мы наблюдаем повторяющееся возмущение, перемещающееся в обтяжке, которое сохраняется в течение некоторого длительного периода времени.Повторяющееся и периодическое возмущение, которое перемещается в среде из одного места в другое, называется волной .
Что такое среда?
Но что подразумевается под словом средний ? Среда — это вещество или материал, несущий волну. Вы, наверное, слышали фразу СМИ . Под новостными СМИ понимаются различные учреждения (редакции газет, телевизионные станции, радиостанции и т. Д.).) в нашем обществе, которые переносят новости из одного места в другое. Новость проходит через СМИ. СМИ не делают новости, и СМИ — это не то же самое, что новости. Средства массовой информации — это всего лишь вещь , которая переносит новости из источника в различные места. Точно так же волновая среда — это вещество, которое переносит волну (или возмущение) из одного места в другое. Волновая среда — это не волна, и она не создает волны; он просто переносит или переносит волну от ее источника в другие места.В случае с нашей обтягивающей волной средой, через которую проходит волна, являются обтягивающие катушки. В случае водной волны в океане средой, через которую распространяется волна, является океанская вода. В случае звуковой волны, движущейся от церковного хора к скамьям, средой, через которую проходит звуковая волна, является воздух в комнате. А в случае волны стадиона, среда, через которую проходит волна стадиона, — это болельщики, которые находятся на стадионе.
Взаимодействие частиц с частицами
Чтобы полностью понять природу волны, важно рассматривать среду как совокупность взаимодействующих частиц .Другими словами, среда состоит из частей, которые могут взаимодействовать друг с другом. Взаимодействие одной частицы среды со следующей соседней частицей позволяет возмущению распространяться через среду. В случае обтягивающей волны частиц или взаимодействующих частей среды являются отдельными витками обтягивающей волны. В случае звуковой волны в воздухе частиц или взаимодействующих частей среды являются отдельными молекулами воздуха. А в случае волны на стадионе, частиц или взаимодействующие части среды являются болельщиками на стадионе.
Учитывайте наличие волны в обтяжке. Первая катушка нарушается и начинает толкать или тянуть вторую катушку; это толкание или притяжение второй катушки сместит вторую катушку из ее положения равновесия. Когда вторая катушка смещается, она начинает толкать или тянуть третью катушку; толкание или притяжение третьей катушки смещает ее из положения равновесия. Когда третья катушка смещается, она начинает толкать или тянуть четвертую катушку. Этот процесс продолжается последовательно, при этом каждая отдельная частица действует, вытесняя соседнюю частицу.Затем возмущение распространяется через среду. Среду можно представить как серию частиц, связанных пружинами. Когда одна частица движется, пружина, соединяющая ее со следующей частицей, начинает растягиваться и прикладывать силу к соседнему соседу. Когда этот сосед начинает двигаться, пружина, прикрепляющая этого соседа к своему соседу, начинает растягиваться и прикладывать силу к его соседнему соседу.
Волна переносит энергию, а не материю
Когда волна присутствует в среде (то есть когда есть возмущение, движущееся через среду), отдельные частицы среды только временно смещаются из своего положения покоя.На частицы всегда действует сила, возвращающая их в исходное положение. В обтягивающей волне каждый виток обтягивающего материала в конечном итоге возвращается в исходное положение. В водной волне каждая молекула воды в конечном итоге возвращается в исходное положение. А на волне стадиона каждый болельщик на трибуне в конечном итоге возвращается в исходное положение. По этой причине говорят, что волна включает движение возмущения без движения материи. Частицы среды (молекулы воды, обтягивающие катушки, вентиляторы стадиона) просто вибрируют в фиксированном положении, когда картина возмущения перемещается из одного места в другое.
Волны считаются феноменом переноса энергии . Когда возмущение движется через среду от одной частицы к соседней частице, энергия переносится от одного конца среды к другому. В обтекаемой волне человек передает энергию первой катушке, работая с ней. Первая катушка получает большое количество энергии, которое затем передает второй катушке. Когда первая катушка возвращается в исходное положение, она обладает тем же количеством энергии, что и до смещения.Первая катушка передавала свою энергию второй катушке. Вторая катушка затем имеет большое количество энергии, которое впоследствии передает третьей катушке. Когда вторая катушка возвращается в исходное положение, она обладает тем же количеством энергии, что и до смещения. Третья катушка получила энергию второй катушки. Этот процесс передачи энергии продолжается, когда каждая катушка взаимодействует со своим соседом. Таким образом, энергия переносится от одного конца обтяжки к другому, от ее источника к другому месту.
Эта характеристика волны как явления переноса энергии отличает волны от других типов явлений. Рассмотрим обычное явление, наблюдаемое во время игры в софтбол — столкновение биты с мячом. Тесто может передавать энергию от нее к софтболу с помощью летучей мыши. Тесто прикладывает силу к летучей мыши, тем самым передавая ей энергию в виде кинетической энергии. Затем летучая мышь передает эту энергию к софтболу и передает энергию к софтболу при столкновении.В этом примере летучая мышь используется для передачи энергии от игрока к софтболу. Однако, в отличие от волновых явлений, это явление связано с переносом вещества. Летучая мышь должна переместиться из исходного положения в место контакта, чтобы переносить энергию. В волновом явлении энергия может перемещаться из одного места в другое, но частицы вещества в среде возвращаются в свое фиксированное положение. Волна переносит свою энергию, не транспортируя материю.
Волны движутся через океан или озеро; тем не менее, вода всегда возвращается в исходное положение.Энергия переносится через среду, но молекулы воды не переносятся. Доказательством этого является тот факт, что посреди океана еще есть вода. Вода не переместилась из середины океана на берег. Если бы мы наблюдали чайку или утку, покоящуюся на воде, они бы просто подпрыгивали вверх и вниз по кругу, когда волнение движется по воде. Чайка или утка всегда возвращаются в исходное положение. Чайку или утку не доставляют на берег, потому что вода, на которой они отдыхают, не переносится на берег.В водной волне энергия переносится без переноса воды.
То же самое можно сказать и о стадионной волне. На волне стадиона болельщики не встают со своих мест и ходят по стадиону. Мы все понимаем, что для любого фаната было бы глупо (и неловко) даже задуматься над такой мыслью. На волне стадиона каждый болельщик поднимается и возвращается на свои прежние места. Беспорядки проходят по стадиону, но болельщиков не перевозят. Волны связаны с переносом энергии без переноса материи.
В заключение, волну можно описать как возмущение, которое распространяется через среду, транспортируя энергию из одного места (ее источника) в другое, не транспортируя материю. Каждая отдельная частица среды временно перемещается, а затем возвращается в исходное положение равновесия.
Мы хотели бы предложить … Зачем просто читать об этом и когда можно с этим взаимодействовать? Взаимодействовать — это именно то, что вы делаете, когда используете одно из интерактивных материалов The Physics Classroom.Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашей интерактивной лаборатории Slinky Lab. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Slinky Lab предоставляет учащимся простую среду для изучения движения волны в среде и факторов, влияющих на ее скорость.
1. ИСТИНА или ЛОЖЬ :
Чтобы Джон услышал Джилл, молекулы воздуха должны переместиться от губ Джилл к ушам Джона.
2. Кёрли и Мо проводят волновой эксперимент, используя обтягивающую трубу. Кудрявый привносит беспокойство в обтяжку, быстро дергая ее взад и вперед. Мо кладет щеку (лицо) на противоположный конец обтягивающего. Используя терминологию этого модуля, опишите, что испытывает Мо, когда пульс достигает другого конца обтекателя.
3.Мак и Тош экспериментируют с импульсами на веревке. Они вибрируют концом вверх и вниз, чтобы создать импульс и наблюдать, как он движется из конца в конец. Как положение точки на веревке перед импульсом соотносится с положением после того, как импульс прошел?
4. Минута за минутой, час за часом, день за днем океанские волны продолжают плескаться на берег. Объясните, почему пляж не полностью затоплен и почему середина океана еще не исчерпана своими запасами воды.
5. Среда способна переносить волну из одного места в другое, потому что частицы среды ____.
а. без тренияг. изолированные друг от друга
г. может взаимодействовать
г. очень легкий
Explainer: Понимание волн и длин волн
Волны проявляются в самых разных формах.Сейсмические волны сотрясают землю во время землетрясений. Световые волны перемещаются по Вселенной, позволяя нам видеть далекие звезды. И каждый звук, который мы слышим, — это волна. Так что же общего у всех этих разных волн?
Волна — это возмущение, которое перемещает энергию из одного места в другое. При движении волны передается только энергия, а не материя.
Вещество, через которое движется волна, называется средой . Эта среда многократно перемещается вперед и назад, возвращаясь в исходное положение.Но волна распространяется по среде. Он не остается на одном месте.
Представьте, что вы держите один конец веревки. Если вы встряхнете его вверх и вниз, вы создадите волну, используя веревку в качестве среды. Когда ваша рука движется вверх, вы создаете высокую точку или гребень. Когда ваша рука движется вниз, вы создаете нижнюю точку или впадину (TRAWF). Кусок веревки, касающийся вашей руки, не уходит от руки. Но гребни и впадины отдаляются от руки, когда волна движется по веревке.
В этой волне синие частицы движутся вверх и вниз, проходя через линию в центре.Некоторые волны в природе тоже ведут себя подобным образом. Например, в океане вода движется вверх и вниз, но возвращается на уровень поверхности. Это создает высокие точки, называемые гребнями, и низкие точки, называемые впадинами. Когда вода движется вверх и вниз, гребни и желоба перемещаются в стороны, неся энергию. J. LookТо же самое происходит и с другими волнами. Если вы прыгнете в лужу, ваша нога уперется в воду в одном месте. Это начинает небольшую волну. Вода, в которую попадает ваша ступня, движется наружу, давя на воду поблизости.Это движение создает пустое пространство возле вашей ступни, втягивая воду обратно внутрь. Вода колеблется, движется вперед и назад, образуя гребни и впадины. Затем волна накатывает по луже. Брызги воды по краю — это совсем не то место, где ваша ступня соприкасается с ногой. Энергия от вашего прыжка перемещалась по луже, но вещество (молекулы воды) только качалось взад и вперед.
Свет или электромагнитное излучение также можно описать как волну. Энергия света проходит через среду, называемую электромагнитным полем.Это поле существует повсюду во Вселенной. Он колеблется, когда его беспокоит энергия, точно так же, как веревка движется вверх и вниз, когда кто-то ее трясет. В отличие от волны в воде или звуковой волны в воздухе, световые волны не нуждаются в физическом веществе, чтобы проходить через них. Они могут пересекать пустое пространство, потому что их среда не связана с физической материей.
Ученые говорят: длина волны
Ученые используют несколько свойств для измерения и описания всех этих типов волн. Длина волны — это расстояние от одной точки на волне до идентичной точки на следующей, например, от гребня до гребня или от впадины до впадины.Волны могут быть разной длины. Длина волны океана может составлять около 120 метров (394 фута). Но обычная микроволновая печь генерирует волны длиной всего 0,12 метра (5 дюймов). Видимый свет и некоторые другие типы электромагнитного излучения имеют гораздо меньшие длины волн.
Ученые говорят: Герц
Частота описывает, сколько волн проходит через одну точку за одну секунду. Единицы измерения частоты — герцы. Путешествующая по воздуху музыкальная нота с частотой 261.6 герц (средний C) толкает молекулы воздуха назад и вперед 261,6 раз в секунду.
Ученые говорят: частота
Частота и длина волны связаны с количеством энергии, которую имеет волна. Например, создавая волны на веревке, требуется больше энергии, чтобы создать волну более высокой частоты. Перемещение руки вверх и вниз 10 раз в секунду (10 герц) требует больше энергии, чем движение руки только один раз в секунду (1 герц). И эти волны 10 герц на веревке имеют более короткую длину волны, чем волны в 1 герц.
Многие исследователи в своей работе полагаются на свойства и поведение волн. Сюда входят астрономы, геологи и звукорежиссеры. Например, ученые могут использовать инструменты, которые улавливают отраженный звук, свет или радиоволны, чтобы наносить на карту места или объекты.
Для света в электромагнитном спектре длины волн могут варьироваться от очень длинных (километры для радиоволн) до очень малых (одна миллионная часть метра для гамма-лучей). Линейка показывает длину этих электромагнитных волн в метрах или долях метра.Человеческие глаза могут видеть только очень небольшую часть этих волн. Ttsz / iStock / Getty Images Plusволн | Безграничная физика
Волны
Волновое движение передает энергию из одной точки в другую, обычно без постоянного смещения частиц среды.
Цели обучения
Описать процесс переноса энергии и массы при волновом движении
Основные выводы
Ключевые моменты
- Волну можно рассматривать как возмущение или колебание, которое распространяется в пространстве-времени и сопровождается передачей энергии.
- Направление, в котором распространяется волна, перпендикулярно направлению, в котором она колеблется для поперечных волн.
- Волна не перемещает массу в направлении распространения; он передает энергию.
Ключевые термины
- средний : Материал или пустое пространство, через которое проходят сигналы, волны или силы.
- направление распространения : ось, вдоль которой распространяется волна.
- волна : движущееся возмущение энергетического уровня поля.
Колебания и волны — чрезвычайно важные явления в физике. В природе колебания встречаются повсюду. Мы находим примеры вибраций почти в каждой физической системе, от покачивания атомов до сильных колебаний морских волн. В физике волну можно рассматривать как возмущение или колебание, которое распространяется в пространстве-времени, сопровождаемое передачей энергии. Волновое движение передает энергию от одной точки к другой, часто без постоянного смещения частиц среды, то есть с незначительным или нулевым сопутствующим переносом массы.Напротив, они состоят из колебаний или вибраций вокруг почти фиксированных мест.
Акцент на последнем пункте подчеркивает важное неправильное представление о волнах. Волны передают энергию, а не массу. Легкий способ убедиться в этом — представить парящий мяч в нескольких ярдах от моря. По мере того, как волны распространяются (т. Е. Движутся) к берегу, мяч не приближается к берегу. В конце концов, он может дойти до берега из-за приливов, течения или ветра, но сами волны не унесут мяч с собой.Волна перемещает массу только перпендикулярно направлению распространения — в данном случае вверх и вниз, как показано на рисунке ниже:
Волновое движение : Точка на оси аналогична плавающему мячу в море. Мы замечаем, что пока он движется вверх и вниз, он не движется в направлении распространения волны.
Волна может быть поперечной или продольной в зависимости от направления ее колебаний. Поперечные волны возникают, когда возмущение вызывает колебания, перпендикулярные (под прямым углом) к распространению (направлению передачи энергии).Продольные волны возникают, когда колебания параллельны направлению распространения. Хотя механические волны могут быть как поперечными, так и продольными, все электромагнитные волны являются поперечными. Например, звук — это продольная волна.
Описание волн тесно связано с их физическим происхождением для каждого конкретного случая волнового процесса. Например, акустика отличается от оптики тем, что звуковые волны связаны с механической, а не с передачей электромагнитной (световой) волны, вызванной вибрацией.Поэтому такие понятия, как масса, импульс, инерция или упругость, становятся решающими при описании акустических (в отличие от оптических) волновых процессов. Это различие в происхождении вносит определенные волновые характеристики, зависящие от свойств рассматриваемой среды. В этой главе мы внимательно рассмотрим разницу между продольными и поперечными волнами, а также некоторые свойства, которыми они обладают. Мы также узнаем, насколько волны имеют фундаментальное значение для описания движения многих применимых физических систем.
Волновое уравнение : Краткое введение в волновое уравнение, обсуждая скорость волны, частоту, длину волны и период.
Поперечные волны
Поперечные волны распространяются через среду со скоростью [латекс] \ vec {\ text {v}} _ \ text {w} [/ latex] перпендикулярно направлению передачи энергии.
Цели обучения
Опишите свойства поперечной волны
Основные выводы
Ключевые моменты
- Поперечные волны колеблются в плоскости z-y, но распространяются вдоль оси x.
- Поперечная волна имеет скорость распространения, определяемую уравнением v = fλ.
- Направление передачи энергии перпендикулярно движению волны.
Ключевые термины
- длина волны : длина одного цикла волны, измеряемая расстоянием между одним пиком или впадиной волны и следующим; в физике он часто обозначается как λ и соответствует скорости волны, деленной на ее частоту.
- впадина : длинная узкая впадина между волнами или гребнями.
- скорость распространения : скорость, с которой волна движется через среду.
- гребень : гребень или вершина волны.
- поперечная волна : любая волна, в которой направление возмущения перпендикулярно направлению движения.
- направление распространения : ось, вдоль которой распространяется волна.
Поперечная волна — это движущаяся волна, состоящая из колебаний, возникающих перпендикулярно (или под прямым углом) к направлению передачи энергии.Если поперечная волна движется в положительном направлении x , ее колебания идут вверх и вниз, которые лежат в плоскости y – z . Свет — это пример поперечной волны. Для поперечных волн в веществе смещение среды перпендикулярно направлению распространения волны. Рябь на пруду и волна на струне — легко визуализируемые поперечные волны.
Поперечные волны — это волны, колеблющиеся перпендикулярно направлению распространения.Если вы закрепите один конец ленты или веревки и держите другой конец в руке, вы можете создать поперечные волны, перемещая руку вверх и вниз. Обратите внимание, что вы также можете запускать волны, двигая рукой из стороны в сторону. Это важный момент. Есть два независимых направления, в которых может происходить волновое движение. В данном случае это упомянутые выше направления y и z . изображает движение поперечной волны. Здесь мы видим, что волна движется в t и колеблется в плоскости x-y .Волну можно представить как состоящую из множества частиц (как показано на рисунке), которые колеблются вверх и вниз. На рисунке мы наблюдаем это движение в плоскости x-y (обозначено красной линией на рисунке). По прошествии времени колебания разделяются на единицы времени. Результатом этого разделения является синусоида, которую мы ожидаем при построении графика зависимости положения от времени.
Синусоидальная волна : Направление распространения этой волны — вдоль оси t.
Когда волна проходит через среду – i.например, воздух, вода и т. д. или стандартная эталонная среда (вакуум) — это происходит с заданной скоростью: это называется скоростью распространения. Обозначается скорость, с которой распространяется волна, и ее можно найти по следующей формуле:
[латекс] \ text {v} = \ text {f} \ lambda [/ latex]
, где v — скорость волны, f — частота , и длина волны. Длина волны простирается от гребня до гребня, а амплитуда составляет 1/2 общего расстояния от гребня до впадины.Поперечные волны находят применение во многих областях физики. Примеры поперечных волн включают сейсмические S (вторичные) волны и движение электрического (E) и магнитного (M) полей в электромагнитных плоских волнах, которые колеблются перпендикулярно друг другу, а также направлению передачи энергии. Следовательно, электромагнитная волна состоит из двух поперечных волн, причем видимый свет является примером электромагнитной волны.
Длина волны и амплитуда : длина волны — это расстояние между соседними гребнями.Амплитуда равна 1/2 расстояния от гребня до впадины.
Два типа волн: продольные и поперечные : Даже океанские волны!
Продольные волны
Продольные волны, иногда называемые волнами сжатия, колеблются в направлении распространения.
Цели обучения
Приведите свойства и приведите примеры продольной волны
Основные выводы
Ключевые моменты
- Хотя продольные волны колеблются в направлении распространения, они не смещают массу, поскольку колебания малы и предполагают положение равновесия.
- Продольные «волны» можно представить как импульсы, передающие энергию вдоль оси распространения.
- Продольные волны можно представить как волны давления, характеризующиеся сжатием и разрежением.
Ключевые термины
- разрежение : уменьшение плотности материала, особенно жидкости
- Продольный : Идет в направлении длинной оси тела.
- сжатие : для увеличения плотности; акт сжатия или состояние сжатия; уплотнение
Продольные волны
Продольные волны имеют то же направление вибрации, что и направление их движения.Это означает, что движение среды происходит в том же направлении, что и движение волны. Некоторые продольные волны также называют волнами сжатия или волнами сжатия. Простой эксперимент по наблюдению продольных волн состоит в том, чтобы взять слинки и удерживать его за оба конца. После сжатия и отпускания одного конца Slinky (при этом все еще удерживая его за конец) импульс более концентрированных катушек переместится к концу Slinky.
Продольные волны : сжатый Slinky является примером продольной волны.Волна распространяется в том же направлении колебаний.
Подобно поперечным волнам, продольные волны не перемещают массу. Разница в том, что каждая частица, составляющая среду, в которой распространяется продольная волна, колеблется вдоль оси распространения. В примере Slinky каждая катушка будет колебаться в одной точке, но не будет проходить по длине Slinky. Важно помнить, что в данном случае передается энергия в форме импульса, а не перемещенная масса.
Продольные волны иногда также можно представить себе как волны давления. Самая распространенная волна давления — это звуковая волна. Звуковые волны создаются сжатием среды, обычно воздуха. Продольные звуковые волны — это волны чередующихся отклонений давления от равновесного давления, вызывающие локальные области сжатия и разрежения. Материя в среде периодически вытесняется звуковой волной и, таким образом, колеблется. Когда люди издают звук, будь то при разговоре или при ударе, они сжимают частицы воздуха до некоторого значительного количества.Тем самым они создают поперечные волны. Когда люди слышат звуки, их уши чувствительны к разнице давления и интерпретируют волны как разные тона.
Два типа волн: продольные и поперечные : Даже океанские волны!
Волны на воде
Волны на воде обычно наблюдаются в повседневной жизни и включают движение как поперечных, так и продольных волн.
Цели обучения
Описать движение частиц в волнах на воде
Основные выводы
Ключевые моменты
- Частицы, составляющие водную волну, движутся по круговым траекториям.
- Если волны движутся медленнее, чем ветер над ними, энергия передается от ветра к волнам.
- Колебания максимальны на поверхности волны и ослабевают глубже в жидкости.
Ключевые термины
- фазовая скорость : Скорость распространения чистой синусоидальной волны бесконечной протяженности и бесконечно малой амплитуды.
- групповая скорость : Скорость распространения огибающей модулированной бегущей волны, которая рассматривается как скорость распространения информации или энергии, содержащейся в ней.
- плоская волна : волна постоянной частоты, волновые фронты которой (поверхности постоянной фазы) представляют собой бесконечные параллельные плоскости с постоянной размахом амплитуды, перпендикулярные вектору фазовой скорости.
Волны на воде, которые обычно можно наблюдать в нашей повседневной жизни, представляют особый интерес для физиков. Подробное описание гидродинамики в водных волнах выходит за рамки вводных курсов физики. Хотя мы часто наблюдаем распространение волны воды в 2D, в этом атоме мы ограничимся рассмотрением одномерного распространения.
Волны на воде : Поверхностные волны в воде
Уникальность водных волн заключается в том, что они включают в себя как поперечные, так и продольные волновые движения. В результате частицы, составляющие волну, движутся по кругу по часовой стрелке, как показано на рисунке. Колебательное движение является максимальным у поверхности и экспоненциально уменьшается с глубиной. Волны генерируются ветром, проходящим над поверхностью моря. Пока волны распространяются медленнее, чем скорость ветра, прямо над волнами, происходит передача энергии от ветра к волнам.Разница в атмосферном давлении между подветренной и подветренной сторонами гребня волны, а также трение о поверхность воды ветром (заставляющее воду переходить в напряжение сдвига) способствуют росту волн.
В случае монохроматических линейных плоских волн на глубокой воде частицы у поверхности движутся по круговым траекториям, создавая комбинацию продольных (назад и вперед) и поперечных (вверх и вниз) волновых движений. Когда волны распространяются на мелководье (где глубина меньше половины длины волны), траектории частиц сжимаются в эллипсы.По мере увеличения амплитуды (высоты) волны траектории частиц больше не образуют замкнутых орбит; скорее, после прохождения каждого гребня частицы немного смещаются от своих прежних положений, явление, известное как стоксов дрейф.
Плоская волна : Мы видим волну, распространяющуюся в направлении фазовой скорости. Можно думать, что волна состоит из плоскостей, ортогональных направлению фазовой скорости.
Поскольку волны на воде переносят энергию, были предприняты попытки получить из них энергию, используя физическое движение таких волн.Хотя большие волны более мощные, мощность волны также определяется скоростью волны, длиной волны и плотностью воды. Глубокая вода соответствует глубине воды, превышающей половину длины волны, как это часто бывает в море и океане. В глубокой воде более длиннопериодические волны распространяются быстрее и быстрее переносят свою энергию. Глубоководная групповая скорость составляет половину фазовой скорости. На мелководье для длин волн, которые примерно в двадцать раз больше глубины воды (как это часто бывает у берега), групповая скорость равна фазовой скорости.В некоторых случаях эти методы оказались жизнеспособными, но на сегодняшний день не обеспечивают полностью устойчивой формы возобновляемой энергии.
Волны на воде : Волны на воде заставляют частицы двигаться по часовой стрелке по кругу. Это результат того, что волна имеет как поперечные, так и продольные свойства.
Длина волны, частота относительно скорости
Волны определяются, среди прочего, своей частотой, длиной волны и амплитудой. У них также есть два вида скорости: фазовая и групповая.
Цели обучения
Определить основные характерные свойства волн
Основные выводы
Ключевые моменты
- Длина волны — это пространственный период волны.
- Частота волны относится к числу циклов в единицу времени, и ее не следует путать с угловой частотой.
- Фазовая скорость может быть выражена как произведение длины волны и частоты.
Ключевые термины
- скорость волны : Абсолютное значение скорости, с которой распространяется фаза любого частотного компонента волны.
- длина волны : длина одного цикла волны, измеряемая расстоянием между одним пиком или впадиной волны и следующим; в физике он часто обозначается как λ и соответствует скорости волны, деленной на ее частоту.
- частота : Частное от числа n периодических явлений, происходящих за время t, в течение которого они происходят: f = n / t.
Характеристики волн
Волны обладают определенными характерными свойствами, которые можно заметить с первого взгляда.Первое, на что следует обратить внимание, — это амплитуда. Амплитуда составляет половину расстояния, измеренного от гребня до впадины. Мы также наблюдаем длину волны, которая представляет собой пространственный период волны (например, от гребня до гребня или от впадины до впадины). Обозначим длину волны греческой буквой [латекс] \ лямбда [/ латекс].
Частота волны — это количество циклов в единицу времени — ее можно представить как количество гребней, которые проходят фиксированную точку за единицу времени. Математически мы делаем наблюдение, что
Частоты разных синусоид.: Красная волна имеет низкочастотный синус, циклы повторяются очень редко. И наоборот, мы говорим, что фиолетовая волна имеет высокую частоту. Обратите внимание, что время увеличивается по горизонтали.
[латекс] \ begin {уравнение} \ text {f} = \ frac {1} {\ text {T}} \ end {уравнение} [/ latex]
где T — период колебаний. Частота и длина волны также могут быть связаны — * со «скоростью» волны. Фактически
[латекс] \ begin {уравнение} \ text {v} = \ text {f} \ lambda \ end {уравнение} [/ latex]
, где v называется скоростью волны или, чаще, фазовой скоростью, скоростью, с которой фаза волны распространяется в пространстве.Это скорость, с которой распространяется фаза любого частотного компонента волны. Для такого компонента будет казаться, что любая данная фаза волны (например, гребень) движется с фазовой скоростью.
Наконец, групповая скорость волны — это скорость, с которой общая форма амплитуд волн, известная как модуляция или огибающая волны, распространяется в пространстве. В можно увидеть, что общая форма (или «огибающая») распространяется вправо, в то время как фазовая скорость отрицательна.
Рис. 2 : Здесь показана волна с групповой скоростью и фазовой скоростью, идущая в разных направлениях. (Групповая скорость положительна, а фазовая скорость отрицательна.)
Энергетический транспорт
Волны передают энергию, которую можно использовать для работы.
Цели обучения
Связать направление переноса энергии и волн
Основные выводы
Ключевые моменты
- Более массивные волны передают больше энергии.
- Волны с большей скоростью переносят больше энергии.
- Энергия волны переносится в направлении переноса волн.
Ключевые термины
- энергия : Величина, обозначающая способность выполнять работу и измеряемая в единицах измерения масса × расстояние² / время² (ML² / T²) или эквивалент.
- мощность : мера скорости выполнения работы или передачи энергии.
- работа : мера энергии, затрачиваемой на перемещение объекта; чаще всего, сила, умноженная на смещение.Если объект не двигается, работа не выполняется.
Передача энергии необходима волнам. Распространенное заблуждение, что волны перемещают массу. Волны переносят энергию вдоль оси, определяемой как направление распространения. Один простой пример — представить, что вы стоите в прибое, и вас ударила довольно большая волна, и как только вы попали в нее, вы смещаетесь (если только вы не держитесь твердо за землю!). В этом смысле волна совершила работу (приложила силу на расстоянии).Поскольку работа выполняется с течением времени, энергия, переносимая волной, может использоваться для выработки энергии.
Water Wave : Более массивные волны или волны с большей скоростью переносят больше энергии.
Аналогичным образом мы обнаруживаем, что электромагнитные волны несут энергию. Электромагнитное излучение (ЭМИ) переносит энергию — иногда называемую лучистой энергией — через пространство непрерывно вдали от источника (это не относится к ближнепольной части электромагнитного поля). Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющуюся поперечную колебательную волну электрического и магнитного полей.ЭМИ также несет как импульс, так и угловой момент. Все эти свойства могут быть переданы материи, с которой он взаимодействует (посредством работы). При создании ЭМИ производится из других видов энергии, а при разрушении преобразуется в другие виды энергии. Фотон — это квант электромагнитного взаимодействия и основная «единица» или составная часть всех форм ЭМИ. Квантовая природа света становится более очевидной на высоких частотах (или высокой энергии фотонов). Такие фотоны больше похожи на частицы, чем на низкочастотные фотоны.
Электромагнитная волна : Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющуюся поперечную колебательную волну электрического и магнитного полей. На этой трехмерной диаграмме показана плоская линейно поляризованная волна, распространяющаяся слева направо.
В общем, существует соотношение волн, которое гласит, что скорость ([latex] \ text {v} [/ latex]) волны пропорциональна частоте ([latex] \ text {f} [/ latex] ), умноженное на длину волны ([латекс] \ лямбда [/ латекс]):
[латекс] \ text {v} = \ text {f} \ lambda [/ latex]
Мы также знаем, что классический импульс [latex] \ text {p} [/ latex] задается [latex] \ text {p} = \ text {mv} [/ latex], который относится к силе через второй закон Ньютона: [ латекс] \ text {F} = \ frac {\ text {dp}} {\ text {dt}} [/ latex]
ЭМ-волны с более высокими частотами несут больше энергии.Это прямой результат приведенных выше уравнений. Поскольку [latex] \ text {v} \ propto \ text {f} [/ latex], мы обнаруживаем, что более высокие частоты подразумевают большую скорость. Если скорость увеличивается, то у нас есть больший импульс, что подразумевает большую силу (это становится немного сложнее, когда мы говорим о частицах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, но это наблюдение сохраняется в классическом смысле). Поскольку энергия — это способность объекта выполнять работу, мы обнаружили, что для [латекса] \ text {W} = \ text {Fd} [/ latex] большая сила коррелирует с большей передачей энергии.Опять же, это явление легко испытать эмпирически; просто встаньте перед более быстрой волной и почувствуйте разницу!
Что такое волна?
Что такое волна?Дэниел А. Рассел , аспирантура по акустике, Государственный университет Пенсильвании
Эта работа Дэна Рассела находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
На основе работы на http://www.acs.psu.edu/drussell/demos.html.Дополнительная информация об использовании этого содержимого доступна по адресу http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/copyright.html.
Содержание этой страницы было первоначально опубликовано 16 апреля 2002 г. . Анимация и текст были обновлены 18 февраля 2015 г. . Код HTML был изменен для соответствия HTML5 18 марта 2013 г.
Определение волны
Словарь Вебстера определяет волну как:
- возмущение или изменение, которое постепенно передает энергию от точки к точке в среде и может принимать форму упругой деформации или изменения давления, электрической или магнитной напряженности, электрического потенциала или температуры.
Самая важная часть этого определения состоит в том, что волна — это возмущение , или вариация , которая распространяется через среду. Среда, через которую распространяется волна, может испытывать некоторые локальные колебания при прохождении волны, но частицы в среде не , а перемещаются вместе с волной. Помехи могут принимать любую из множества форм, от импульса конечной ширины до бесконечно длинной синусоидальной волны.
Примеры, иллюстрирующие определение
Приходилось ли вам «делать волну» в составе большой толпы на футбольном или бейсбольном матче? Группа людей вскакивает и садится обратно, некоторые люди поблизости видят их и подпрыгивают, некоторые люди подальше следуют их примеру, и довольно скоро волна распространяется по стадиону.Волна — это нарушение (люди вскакивают и снова садятся), и она движется по стадиону. Однако никого из людей на стадионе не уносит волна, когда она движется — все они остаются на своих местах. Посмотрите этот пример из реальной жизни, сделанный военными специалистами по точному сверлению (сноски по физике)
Звуковые волны в воздухе ведут себя примерно так же. По мере прохождения волнового импульса частицы в воздухе колеблются взад и вперед относительно своих положений равновесия, но перемещаются возмущения, а не отдельные частицы в среде.Есть несколько других примеров типов волн, которые могут распространяться через механическую среду.
Поперечные волны на струне — еще один пример. Струна смещается вверх и вниз по мере распространения волнового импульса слева направо, но сама струна не испытывает никакого чистого движения. У меня есть другие анимации, которые иллюстрируют, что происходит, когда поперечные волны на струнах отражаются от твердых и мягких границ или от более общих границ импеданса.
Вот более подробный пример продольной волны, бегущей через материальную среду.В то время как приведенные выше примеры волн были импульсами (с конечной длительностью), эта волна представляет собой непрерывную синусоидальную волну с областями сжатия (где частицы сплющиваются ближе друг к другу), чередующимися с областями разрежения (где частицы расходятся дальше друг от друга). Красные точки (и стрелки) показывают, что отдельные частицы просто колеблются взад и вперед относительно своих положений равновесия, в то время как волновое возмущение распространяется через среду.
Назад к
Волновые концепции и терминология для студентов и преподавателей
Волны — это повторяющиеся и периодические возмущения, проходящие через среду (например,г. вода) из одного места в другое. SECOORA создала удобный онлайн-глоссарий, который помогает студентам выучить наиболее распространенные научные термины, относящиеся к волнам.
Информационный бюллетеньWave PDF
Информационный бюллетень Wave Word, документ
Глоссарий
Волна: Повторяющееся и периодическое возмущение, которое распространяется через среду (например, воду) из одного места в другое.
Wave Crest: Самая высокая часть волны.
Провал волны: Самая нижняя часть волны.
Высота волны: Расстояние по вертикали между впадиной волны и гребнем волны.
Длина волны: Расстояние между двумя последовательными гребнями волн или между двумя последовательными впадинами волн.
Частота волны: Количество волн, прошедших фиксированную точку за указанный период времени.
Период волны: Время, за которое два последовательных гребня (одна длина волны) проходят через заданную точку.Период волны часто указывается в секундах, например одна волна каждые 6 секунд.
Fetch: Непрерывная область или расстояние, на котором дует ветер (в том же направлении). Чем больше выборка, тем больше высота волны.
Типы океанских волн
Рябь: Колебание поверхности воды из-за колебаний давления ветра на воду. Это создает нагрузку на воду и приводит к появлению крошечных коротковолновых волн, называемых рябью.Пульсации часто называют капиллярными волнами.
Breaking Waves — http://mrvanarsdale.com/marine-science/online-textbook/chapter-6-waves/
Волны с небольшими изменениями распространяются по бескрайним просторам открытого океана, но в конце концов все волны должны достичь берега. По мере приближения к берегу волна становится короче и круче, увеличиваясь в высоту. Трение о дно заставляет впадину волны исчезать, гребень замедляет его движение, а когда глубина заставляет высоту волны становиться равной 1.В 3 раза больше глубины, гребень опускается, образуя волнолом.
Существует четыре основных типа разрушающихся волн: разлив, погружение, схлопывание и нагон.
- Плавные волны — это пологие волны с гребнями, которые мягко разбиваются о берег. Эти волны разбиваются, когда дно океана имеет постепенный наклон.
- Падающие волны разбиваются, когда дно океана круто или имеет резкие перепады глубины. Это могут быть мощные бочки или огромные раздачи.
- Коллапсирующая волна — это смесь набегающих и падающих волн.
- Пульсирующие волны — результат длительных волн. В результате волна медленная, грани гладкие и наклонные, а гребень почти не существует. Эти волны могут вообще не разбиваться. У разбивающихся волн есть глубокая впадина; бушующих волн нет.
(информация от Surfer Today: http://www.surfertoday.com/surfing/10588-why-do-waves-break)
Chop: Множество небольших волн, из-за которых поверхность океана становится неровной.
Swell: Волны, генерируемые ветром, которые вышли за пределы своей области генерирования.Волны обычно имеют более гладкие, более правильные и однородные гребни и более длинную волну, чем ветровые волны.
Урок: Волны без среды
В этом разделе класс оценит, использует ли каждый сценарий, описывающий передачу звука и звуковой информации, чисто механические волны, или же он переходит к использованию электромагнитного спектра.
Спросите:
Пример с чашечным телефоном — это не то, как работают наши настоящие телефоны, не так ли? Как звук превращается в сигналы, которые отправляются от точки к точке для передачи от одного телефона к другому?
Возможный ответ:
В других типах телефонов вместо струн используются провода, и иногда сигнал меняется с механического на электромагнитный и передается куда угодно, со средой или без нее.
Перефразирование:
Как сигналы передаются в различных средах для других телекоммуникационных устройств? Давайте рассмотрим каждое из этих устройств связи и выясним, где сигнал представляет собой механическую звуковую волну, движущуюся через среду, и когда он был преобразован в электромагнитный сигнал, движущийся со скоростью света.
Спросите:
Где есть промежуток, по которому сигнал может идти без носителя?
Учащиеся определяют, какие электромагнитные передачи могут «перепрыгнуть через промежуток».»Сигналы преобразуются в радиоволны и другие электромагнитные волны, чтобы двигаться быстрее (со скоростью света).
Телекоммуникационные системы очень сложные. Цель этого упражнения не в достижении 100% точности ответов, а в признании того, что для общения используются волны самых разных форм.
Хотя здесь четыре отрывка, вы можете решить, что только одного или двух из них достаточно, чтобы просмотреть со всем классом. Первый из основных, использующих систему громкой связи, является единственным примером, в котором используются только механические волны.
Хотя одного или двух из этих абзацев, вероятно, будет достаточно для понимания студентами, студентам будет полезно прочитать все отрывки. Все четыре сценария — часть их повседневной жизни. В абзацах подробно рассказывается, как работает общение, как оно кодируется и декодируется и т. Д. Они сложны. Подумайте о том, чтобы студенты тратили достаточно времени на разбиение ступеней, а также типов волн.
Вы можете спроецировать отрывки на доску и подчеркнуть / выделить части, в которых используются электромагнитные волны.В качестве более сложной оценки вы можете попросить студентов подчеркнуть предложения, описывающие передачу электромагнитных волн.
.