Что такое поперечная волна
Продольные и поперечные волны
Продольные волны
Причиной возникновения продольной волны является деформация сжатия/растяжения, т.е. сопротивление среды изменению ее объема. В жидкостях или газах такая деформация сопровождается разрежением или уплотнением частиц среды. Продольные волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.
Примерами продольных волн являются волны в упругом стержне или звуковые волны в газах.
Поперечные волны
Причиной поперечной волны является деформация сдвига одного слоя среды относительно другого. При распространении поперечной волны в среде образуются гребни и впадины. Жидкости и газы, в отличие от твердых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоев, т.е. не оказывают сопротивления изменению формы. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердых телах.
Примерами поперечных волн могут служить волны, бегущие по натянутой веревке или по струне.
Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Если бросить на поверхность воды поплавок, то можно увидеть, что он движется, покачиваясь на волнах, по круговой траектории. Таким образом, волна на поверхности жидкости имеет как поперечную, так и продольную компоненты. На поверхности жидкости также могут возникать волны особого типа – так называемые поверхностные волны. Они возникают в результате действия силы тяжести и силы поверхностного натяжения.
Рис.1. Продольные (а) и поперечные (б) механические волны
Примеры решения задач
| Задание | Определить направление распространения поперечной волны, если поплавок  в некоторый момент времени  имеет направление скорости, указанное на рисунке. |
Начертим поверхность волны вблизи поплавка через некоторый промежуток времени 
, учитывая, что за это время поплавок опустился вниз, так как его скорость в момент времени была направлена вниз. Продолжив линию вправо и влево, покажем положение волны в момент времени 
. Сравнив положение волны в начальный момент времени (сплошная линия) и в момент времени (пунктирная линия), делаем вывод о том, что волна распространяется влево.
Поперечная волна
Из Википедии — свободной энциклопедии
Поперечная волна — волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны).
К поперечным волнам относят, например, волны в струнах или упругих мембранах, когда смещения частиц в них происходят строго перпендикулярно направлению распространения волн, а также однородные плоские электромагнитные волны в изотропном диэлектрике или магнетике; в этом случае поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей.
Поперечная волна обладает поляризацией, то есть вектор её амплитуды определённым образом ориентирован в поперечной плоскости. В частности, различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации в зависимости от формы кривой, которую описывает конец вектора амплитуды. Понятие поперечной волны так же, как и продольной волны, до некоторой степени условно и связано со способом её описания. «Поперечность» и «продольность» волны определяются тем, какие величины реально наблюдаются. Так, плоская электромагнитная волна может описываться продольным вектором Герца. В ряде случаев разделение волн на продольные и поперечные вообще теряет смысл. Так, в гармонической волне на поверхности глубокой воды частицы среды совершают круговые движения в вертикальной плоскости, проходящей через волновой вектор k → <\displaystyle <\vec 
, то есть колебания частиц имеют как продольную, так и поперечную составляющие.
10 лучших примеров поперечных волн в реальной жизни
Волны можно описать как распространяющие динамические возмущения одной или нескольких величин. Научное изучение волн восходит к 17 веку, хотя его концепция существовала гораздо дольше.
Существует множество форм волн, которые можно анализировать, углубляясь в эту тему. В то время как большинство из них имеют одинаковое поведение, некоторые волны можно отличить от других на основе их свойств.
Одним из способов их характеристики является то, как они движутся в определенной среде, что приводит к двум примечательным категориям: поперечные и продольные волны. В этой статье мы остановимся на первой из них.
Что такое поперечная волна?
Когда вы представляете себе волну, вы, вероятно, представляете себе волнистую линию с пиками и впадинами. Именно так выглядит поперечная волна. Это движущаяся волна, которая колеблется перпендикулярно направлению своего распространения.
Поперечные волны обычно возникают в упругих твердых телах, где твердые частицы смещаются от своего начального положения, колеблясь в направлениях, перпендикулярных распространению волны.
Частицы в веревке не переносятся по волне: они просто движутся вверх и вниз, поскольку энергия передается слева направо через среду (веревку).
Чтобы лучше объяснить это явление, мы перечислили несколько хороших примеров поперечных волн, которые люди видят в своей повседневной жизни.
10. Колебания гитарной струны
Форма: Механическая волна
Хотя вибрации в гитарных струнах являются поперечными волнами, звук, который они производят, носит продольный характер. В звуковых волнах частицы движутся в том же направлении, что и волна.
9. Рябь на поверхности воды
Форма: Поверхностные волны
Волны, образовавшиеся в небольшом изолированном водоеме из-за возмущения внешним объектом, имеют поперечный характер. Когда рябь движется по поверхности воды в сферическом направлении наружу, молекулы воды колеблются вверх и вниз.
Другими словами, волны воды распространяются горизонтально, а ее частицы вибрируют под углом 90 градусов к направлению распространения волны (пульсации).
Можно представить себе это, бросив перо в воду, а затем бросив камень в нескольких метрах от пера. Рябь появится из точки, где камень ударился о воду, и будет двигаться наружу по кругу. Когда перо соприкасается с этими пульсациями, оно будет двигаться вверх и вниз (перпендикулярно движению пульсаций).
8. Гамма-лучи
Иллюстрация испускания гамма-лучей из ядра атома
Форма: электромагнитное излучение
Гамма-лучи обладают наибольшей энергией и наименьшими длинами волн из всех волн электромагнитного спектра. Они образуются в результате молний, ядерных взрывов и радиоактивного распада. В космосе они генерируются большинством энергетических тел, таких как пульсары, нейтронные звезды, черные дыры и взрывы сверхновой.
Эти волны иногда используются для лечения рака в организме путем разрушения ДНК опухолевых клеток. Но поскольку это ионизирующие лучи, с ними обращаются очень осторожно. В радиохирургии «Гамма-нож», например, используется специальное оборудование, позволяющее фокусировать почти 200 крошечных лучей радиации на опухолевые клетки и другие мишени с субмиллиметровой точностью.
7. Волна в спортивном стадионе
Форма: Механическая волна
Вы когда-нибудь посещали матч на стадионе и смотрели, как толпа исполняет «волну»? Это метахрональный ритм, достигаемый на переполненном стадионе, когда зрители (сидящие в последовательных рядах) ненадолго встают, поднимают руки и кричат, а затем возвращаются в свое обычное сидячее положение.
Если вы посмотрите издалека, вы увидите волну стоящих зрителей, проходящих через аудиторию, несмотря на то, что люди не отходят от своих мест.
6. Радиоволны
Форма: Электромагнитные волны
Они широко используются в стандартном радиовещании и телевидении, сотовой телефонии, управлении воздушным движением и устройствах/игрушках с дистанционным управлением. Даже цифровое радио, как наземное, так и спутниковое, использует радиоволны для повышения четкости и громкости звука. Многие операционные системы искусственных спутников и ракеты активируются радиосигналами.
Радиотелескопы используются для обнаружения сигналов, поступающих с далеких планет, звезд, галактик и черных дыр. Анализируя эти сигналы, исследователи могут узнать гораздо больше о местоположении, химическом составе и движении этих космических источников.
5. Микроволновая печь
Форма: Электромагнитные волны
Микроволны имеют длину волны от 1 миллиметра до 1 метра с частотами от 300 ГГц до 300 МГц. Эта область далее разделена на несколько полос частот с такими обозначениями, как L, S, C, X и K.
4. Рентгеновские лучи
Форма: электромагнитное излучение
Рентгеновский снимок известен своей способностью видеть сквозь человеческую кожу и раскрывать изображения костей под ней. Последние технологические достижения привели к появлению более сфокусированных, мощных рентгеновских лучей и еще более широкому применению этих поперечных волн, от обнаружения переломов до уничтожения опухолевых клеток.
Рентгеновские лучи имеют гораздо более короткие длины волн, чем ультрафиолетовый и видимый свет. Большинство из них имеют длину волны от 10 нанометров до 10 пикометров, что позволяет визуализировать структуры гораздо меньшего размера, чем можно увидеть с помощью обычного оптического микроскопа.
Они также используются искусствоведами, чтобы определить, было ли изображение закрашено поверх существующего произведения. В астрономии спутники с рентгеновскими детекторами используются для изучения комет, звезд, черных дыр и остатков сверхновых.
3. S-волна
Форма: сейсмическая волна
Сейсмические волны проходят через слои Земли. Они возникают из-за извержений вулканов, землетрясений, движения магмы, крупных оползней и мощных взрывов, произведенных человеком.
Наиболее распространенными типами сейсмических волн являются P (первичные) волны и S (вторичные) волны. Последние имеют поперечный характер. Это второй тип волн, которые можно идентифицировать на сейсмограмме землетрясения (после P-волн), потому что они медленнее распространяются в горных породах.
S-волны не могут проходить через расплавленное внешнее ядро Земли, но они обычно более разрушительны, чем P-волны, поскольку их амплитуда в несколько раз выше. Движение S-волн создает эффект качения по поверхности, который может вызвать повреждение любых конструкций.
2. Инфракрасное излучение
Форма: электромагнитное излучение
Хотя мы не видим инфракрасное излучение, мы можем ощущать энергию этих волн как тепло. Тепловое излучение, излучаемое большинством объектов вблизи комнатной температуры, является инфракрасным.
Многие бытовые приборы, такие как тостеры и тепловые лампы, используют инфракрасное излучение для передачи тепла. Лампа накаливания преобразует почти 90% электрической энергии в инфракрасное излучение; только 10% преобразуется в энергию видимого света.
Различные устройства связи точка-точка полагаются на энергию инфракрасного излучения. Например, пульт дистанционного управления посылает инфракрасные импульсы на устройство, которое он направляет. Эти импульсы кодируются специальными командами, такими как увеличение/уменьшение громкости или включение/выключение питания. Приемник устройства декодирует эти импульсы в данные, которые может понять микропроцессор устройства.
1. Видимый свет
Преломление белого света через призму
Форма: электромагнитное излучение
Наиболее распространенным примером поперечной волны является видимый свет, длина волны которого обычно находится в диапазоне от 400 до 700 нанометров. Его также можно описать в терминах потоков фотонов (безмассовых пакетов энергии), каждый фотон движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме.
Свойства света, такие как интенсивность, частота, направление распространения и поляризация, используются для создания оптических устройств, таких как микроскопы и телескопы, которые позволяют людям видеть объекты, которые нельзя увидеть невооруженным глазом.
Естественный свет от солнца собирается для создания электричества. Искусственные источники света, такие как лазер, используются в оптической связи, лазерной хирургии, лечении кожи, приводах оптических дисков, волоконно-оптических, режущих и сварочных материалах, а также в производстве полупроводниковых чипов (фотолитография).
Астрономы также используют свет для понимания структуры и свойств небесных тел. Космические и наземные телескопы улавливают видимый свет для наблюдения и изучения поверхности нашей планеты.
Волны в физике — что это такое, виды, характеристики, примеры
Каждый день вас окружает множество волн. В этой статье вы узнаете, что это такое и какими свойствами они обладают.
Простое объяснение волн с точки зрения физики
В качестве концепции вы можете представить волну как форму с последовательными восходящими и нисходящими частями. К этой категории относится, например, волна воды.
Однако эти части, поднимающиеся и опускающиеся вверх и вниз, не являются случайными по форме и расположению, а следуют очень определенной схеме. Этот паттерн показывает, как частицы среды, в которой распространяется волна, колеблются вверх и вниз. Частицы «возмущаются» волной определенным образом.
Определение: под волной можно представить возмущение в среде, которое движется с фиксированной формой и постоянной скоростью.
На рисунке 1 показано, например, как такое возмущение в виде холма движется по веревке слева направо. Во время движения частицы веревки поднимаются вверх от переднего конца возмущения и тянутся вниз от заднего конца.
Рис. 1. Волна как возмущение в веревке
От света, который вам нужен, чтобы видеть, до звука, который вам нужен, чтобы слышать, до интернет-сигнала, который вам нужен для работы в Интернете, — все это волны. Как видите, волны — неотъемлемая часть жизни человека.
Виды волн
В этом подразделе мы рассмотрим различные виды волн и то, к какой области теоретической физики они относятся.
Поперечные и продольные волны
Например, в волне воды, которая движется слева направо, отдельные частицы воды колеблются вверх и вниз. Поэтому движение частиц перпендикулярно движению волны. Эти типы волн называются поперечными и могут быть поляризованными.
Звуковые волны (также называемые для краткости звуком), которые позволяют вам слышать, являются примером продольных волн. В продольных волнах частицы вовлеченной среды колеблются в направлении движения волны. Поэтому движение частиц параллельно движению волн.
Рис. 2. Поперечная волна и продольная волна
Волны в физике
Следующий список дает вам представление о том, с какими волнами вам, возможно, придется иметь дело в той или иной области физики:
Волна — это тип возмущения, которое распространяется с фиксированной формой. В этом разделе мы рассмотрим его свойства и поведение. Мы рассмотрим следующие моменты немного подробнее:
Характеристики волн
Чтобы описать характеристики, рассмотрим частный случай синусоидальных волн. В синусоидальных волнах восходящие и нисходящие части повторяют форму синусоидальной кривой.
Из этой схемы (паттерна) (рисунок 3) мы выделили следующий фрагмент: кривая начинается с нуля, идет к самой низкой точке, затем возвращается к нулю, продолжается до самой высокой точки и, наконец, возвращается к нулю.
Рис. 3. Синусоидальная волна
Амплитуда.
Расстояние по вертикали между высокой или низкой точкой и нулевой точкой называется амплитудой. Амплитуда обеспечивает барьер, внутри которого задерживаются восходящие и нисходящие части волны.
Например, если амплитуда водной волны составляет 2 метра, это означает, что при движении морской волны частицы воды поднимаются на максимальную высоту 2 метра.
Частота и длина волны.
Вы также можете представить себе синусоидальную волну следующим образом: мы копируем выбранный кусок и вставляем его бесконечное количество раз как слева, так и справа от него. Таким образом, этот выбранный фрагмент уже определяет поведение волны. Термин для этого — период.
Мы можем охарактеризовать этот период двумя способами:
Важно знать! Расстояние по горизонтали между двумя последовательными максимумами (самая высокая точка) или минимумом (самая низкая точка) часто называется длиной волны.
Рис. 4. Характеристики волн
Скорость распространения волны.
Длина волны и частота волны тесно связаны между собой.
Важно знать! Скорость распространения волны = длина волны * частота волны.
Например, если вы раскачиваете веревку вверх и вниз, создавая «веревочную волну», скорость распространения говорит вам о том, как быстро удаляется от вас высокая точка (или любой другой участок) волны.
Отражение, преломление и дифракция волн.
Если волна попадает в другую среду, могут произойти следующие два явления:
Например, когда свет от солнца попадает на поверхность воды, среда меняется с воздуха на воду. Это приводит к тому, что часть света отражается, а часть преломляется. Это также является причиной того, что вы можете увидеть солнце, например, в луже воды.
Теперь для того, чтобы что-то произошло, волна не обязательно должна попасть на новый носитель. Если внутри текущей среды поместить препятствие, например, в виде стены с одним прямоугольным проходом, то может возникнуть явление дифракции (см. рисунок 5). Проще говоря, дифракция описывает явление, когда волна после прохождения не движется по прямой линии.
Рис. 5. Отражение, преломление и дифракция волн
Суперпозиция волн.
До сих пор мы рассматривали только одну волну. Но что происходит, когда две (или более) волны сталкиваются? Возникает явление, которое называется суперпозицией волн. Однако эта суперпозиция не возникает каким-то образом, а следует определенному принципу, который мы знаем под названием «принцип суперпозиции».
Чтобы объяснить принцип суперпозиции в случае волн, давайте снова рассмотрим синусоидальные волны. Каждая точка на синусоиде дает вам значение, которое является мерой силы отклонения частиц.
Принцип суперпозиции простыми словами: в каждой точке пространства, где встречаются две волны, вы складываете значения двух синусоид. Итог этого сложения дает результирующую волну.
В соответствии с принципом суперпозиции различные явления могут наблюдаться в суперпозиции. К ним относятся, в частности:
Музыкальные инструменты создают стоячие волны посредством суперпозиции. Эти стоячие волны, в свою очередь, вибрируют в окружающем воздухе, создавая звуковые волны, которые доходят до ваших ушей и в конечном итоге позволяют вам услышать музыку.
Механические волны и электромагнитные волны
В этом разделе мы рассмотрим конкретные примеры механических и электромагнитных волн.
Механические волны
Волны, для распространения которых необходима среда, называются механическими волнами. Без среды механические волны не могут распространяться. В идеальном вакууме, например, звуковая волна не может распространяться.
Когда возникает механическая волна, периодическое движение одной частицы среды передается соседним частицам по мере того, как волна движется через среду. Частицы определенным образом «механически» связаны друг с другом.
Самым важным примером механической волны является звук. Звук окружает вас каждый день, будь то разговор с друзьями или прослушивание музыки. Звуковые волны позволяют вам слышать. Они возникают в результате вибрации частиц воздуха.
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны не нуждаются в среде для распространения. Если для их распространения не нужна среда, то что тогда колеблется? Электромагнитная волна состоит из электрического и магнитного полей. И именно эти поля колеблются вверх и вниз.
Помните! Периодически изменяющееся электрическое поле приводит к возникновению магнитного поля, которое также периодически изменяется, и наоборот, — таким образом происходит генерация электромагнитной волны.
Например, свет солнца — это электромагнитная волна. Это означает, что электромагнитные волны, помимо всего прочего, отвечают за то, что вы можете что-то видеть. Но вам также нужны электромагнитные волны, чтобы иметь возможность совершать телефонные звонки или пользоваться Интернетом.
Поперечная волна: характеристики и примеры
Содержание:
Следует помнить, что волны распространяются через среду благодаря вибрации, которую они вызывают в частицах указанной среды. Таким образом, направление распространения волны может быть параллельным или перпендикулярным направлению, в котором частицы колеблются. Таким образом, отмечается различие между поперечными и продольными волнами.
Даже в этом случае они являются поперечными волнами, потому что электрические и магнитные поля, связанные с этими волнами, перпендикулярны направлению распространения волны. Другими примерами поперечных волн являются волны, которые передаются по струне, и S-волны или вторичные сейсмические волны.
характеристики
Волны, будь то поперечные или продольные, имеют ряд характеристик, которые их определяют. В общем, наиболее важными характеристиками волны являются те, которые описаны ниже:
Амплитуда волны (А)
Он определяется как расстояние между самой дальней точкой волны и точкой ее равновесия. Поскольку это длина, она измеряется в единицах длины (обычно в метрах).
Длина волны (λ)
Он определяется как расстояние (обычно измеряемое в метрах), пройденное возмущением за заданный интервал времени.
Однако на самом деле вы можете измерить любые две последовательные точки на волне, которые находятся в одной фазе.
Период (T)
Он определяется как время (обычно измеряемое в секундах), за которое волна проходит полный цикл или колебание. Его также можно определить как время, за которое волна проходит расстояние, эквивалентное ее длине волны.
Частота (f)
Он определяется как количество колебаний, которые происходят за единицу времени, обычно за одну секунду. Таким образом, когда время измеряется в секундах (с), частота измеряется в герцах (Гц). Частота обычно рассчитывается от периода по следующей формуле:
Скорость распространения волны (v)
Это скорость, с которой волна (энергия волны) распространяется через среду. Обычно он измеряется в метрах в секунду (м / с). Например, электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
Скорость распространения можно рассчитать по длине волны и периоду или частоте.
Или просто разделив расстояние, пройденное волной за определенное время:
Примеры
Электромагнитные волны
Это не означает, что нет электромагнитных волн, которые проходят через механическую (физическую) среду. Некоторые поперечные волны являются механическими, поскольку для их распространения требуется физическая среда. Эти поперечные механические волны называются зубцами Т или поперечными волнами.
Кроме того, как уже упоминалось выше, электромагнитные волны распространяются со скоростью света, которая в случае вакуума составляет порядка 3 ∙ 10. 8 РС.
Примером электромагнитной волны является видимый свет, представляющий собой электромагнитное излучение с длинами волн от 400 до 700 нм.
Поперечные волны в воде
Наблюдение за этими волнами позволяет нам понять, как направление вибрации, имеющей место в воде, перпендикулярно направлению движения волны.
Лучше всего это видно, если рядом с местом удара поставить буй. Буй поднимается и опускается вертикально по мере приближения волновых фронтов, которые перемещаются горизонтально.
Более сложным является движение волн в океане. Его движение предполагает не только изучение поперечных волн, но и циркуляцию водных течений при их прохождении. Следовательно, реальное движение воды в морях и океанах не может быть сведено исключительно к простому гармоническому движению.
Волна на веревке
Как уже упоминалось, еще одним распространенным случаем поперечной волны является смещение вибрации струной.
Для этих волн скорость, с которой волна распространяется по натянутой струне, определяется натяжением струны и массой на единицу длины струны. Таким образом, скорость волны вычисляется из следующего выражения:
Ссылки
Что такое делитель напряжения? (с примерами)
31 самая популярная короткометражная городская легенда