Механическая волна – это колебания, которые перемещаются в пространстве и времени в упругой среде
.
Козьма Прутков писал: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою».
Эти круги (в виде чередующихся гребней и впадин) являются примером возмущения спокойной до этого поверхности воды.
Возникнув в одном месте, они сразу же начинают распространяться во все стороны. Это и есть волны.
Если в аквариуме или в ванной болтать рукой, тоже образуются волны. Источником этих волн является наша рука. Это самый простой вид колебаний волн, возникающие на поверхности жидкости, и расходящиеся из места возмущения в виде концентрических окружностей.Волны на поверхности жидкости существуют благодаря действию на частицы жидкости сил тяжести и сил межмолекулярного взаимодействия.
Наиболее распространёнными среди волн этого типа являются морские волны, т. е. волны на поверхности морей и океанов.
Английский учёный А. Эддингтон писал, что «путешествующему на корабле кажется, что океан состоит из волн, а не из воды».
Первые признаки волн начинают появляться после того, как скорость ветра, действующего на поверхность воды, достигает 1,1 м/с. По мере увеличения ветра, высота гребней увеличивается.
Высота волн в Балтийском море доходит до 5 м, в Атлантическом океане – до 9 м, а в водах южного полушария, где водное кольцо охватывает всю Землю, наблюдались волны высотой 12 – 13 м, перемещающиеся со скоростью 20м/с.
Когда морские волны доходят до берега, то при резком изменении глубины могут наблюдаться чрезвычайно высокие взбросы воды. При этом кинетическая энергия огромных масс воды передаётся встречным (береговым) препятствиям, которые могут не выдержать напора воды и разрушиться. Разрушительная сила прибоя достигает больших значений. Так, например, в Шетландских островах на северо-востоке Шотландии можно найти обломки скал массой до 13 т, которые были выброшены на высоту около 20 м. А в Бильбао (Испания) прибоем был перевёрнут и сброшен с места бетонный массив в 1700 т.
Наряду с волнами на поверхности жидкости в механике изучают так называемые упругие волны – возмущения, распространяющиеся в различных средах благодаря действию в них сил упругости.
Возникновение упругой волны легко продемонстрировать на примере колебаний в гибком шнуре.
Демонстрация: гибкий шнур (скакалка). Один конец шнура жёстко укрепляют, а свободный конец хлыстовым движением перемещают в вертикальной плоскости. По шнуру начинает бежать упругая волна. В данном случае источником возмущения упругой среды является рука.
Волна возникает лишь тогда, когда вместе с внешним возмущением появляются силы в среде, противодействующие ему. Обычно это силы упругости.
Механические волны возникают и перемещаются лишь в упругих средах. Такие среды достаточно плотные и соударение частиц в них напоминает упругое соударение шаров. Это позволяет частицам в волне передавать избыток энергии соседним частицам. Частица, передав часть энергии, возвращается в исходное положение. Этот процесс продолжается дальше. Таким образом, вещество в волне не перемещается. С передачей движения волной связана передача энергии без переноса вещества. Частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия.
В зависимости от того, в каком направлении частицы совершают колебания по отношению к направлению перемещения волны, различают продольные и поперечные волны.
В продольной волне частицы совершают колебания в направлениях, совпадающих с перемещением волны. Такие волны возникают в результате сжатия – растяжения. Следовательно, они могут возникнуть и в газах, и в твёрдых телах, и в жидкостях.
В поперечной волне частицы совершают колебания в плоскостях, перпендикулярных направлению перемещения волны. Такие волны возникают в результате сдвига слоев среды. Следовательно, они могут возникнуть только в твёрдых телах, т.к. в газах и жидкостях такой вид деформации невозможен.
Волны на поверхности воды (или любой другой жидкости) не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный, продольно – поперечный характер.
Частицы жидкости движутся либо по окружностям, либо по вытянутым в горизонтальном направлении эллипсам. Круговое движение частиц на поверхности воды сопровождаются их медленным перемещением в направлении распространения волны. Именно этим объясняются все те «дары моря», которые можно обнаружить на берегу.
Любой физический процесс всегда описывается рядом характеристик, значения которых позволяют более глубоко понимать содержание процесса. Волновые явления в упругих средах также имеют определённые характеристики. С некоторыми мы знакомились при изучении механических колебаний.
| А – амплитуда колебаний в волне (м)
Т – период колебаний в волне (с)
ν – частота колебаний в волне (Гц)
 - скорость волны (м/с
Под скоростью волныпонимают скорость распространения возмущения.Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе из одной среды в другую её скорость изменяется.
 – длина волны (м)
Выбрав направление распространения волны за направление оси ОХ и обозначив через У координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны.
|
Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.
Т.к. = const для данной среды, то 
Из графика видно, что длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями или двумя впадинами.
· Как связаны между собой Т и ν? (Т = 
)
Значит, можно записать, что 
, а следовательно
При переходе волны из одной среды в другую её частота не изменяется, меняется лишь скорость и длина волны.
К сожалению, часто мы слышим о землетрясениях.
Волны, которые образуются в земной коре при различных тектонических процессах – называются сейсмическими.
- Интересные факты
Энергия, которую обычно переносят звуковые волны, очень мала. Если бы стакана водой полностью поглощал всю падающую на него звуковую энергию, соответствующую громкости в 70 децибел (уровень громкой речи), и был бы полностью теплоизолирован от окружающей среды, то для того чтобы нагреть воду от комнатной температуры до кипения, потребовалось бы примерно тридцать тысяч лет.
Интересные задачи
1) В 1883 г. при печально знаменитом извержении индонезийского вулкана Кракатау воздушные ударные
волны, рожденные подземными взрывами, трижды обошли земной шар.
- К какому виду вот можно отнести ударную волну? (К продольным волнам.)
2)Цунами — грозный попутчик землетрясений. Родилось такое название в Японии и означает гигантскую волну. Когда она накатывается на берег, создается впечатление, что это не волна вовсе, а море,разваренное, неукротимое, кидается на берег: Ничего нет удивительного в том, что цунами производят на нем опустошения. Во время землетрясения 1960 г. на побережье Чили бросались волны высотой до шести метров. Море отступало и наступало несколько раз в течение второй половины дня.
- Как называются такие волны? Чему равна амплитуда цунами 1960 года, обрушившаяся на Чили? (Цунами относят к продольным волнам. Амплитуда волны равна 3 м.)
3)Рифели — это знаки мелкой волновой ряби.Они существуют на земле со времен появления сыпучих сред - снега и песка: Их, отпечатки встречается в древних геологических пластах (иногда вместе со следами динозавров). Первые научные наблюдения над рифелями были сделаны Леонардо да Винчи. В пустынях расстояние между соседними гребнями волновой ряби изменяется в пределах от 1 до 12 см (чаще 3—8 см) при глубине впадин между гребнями в среднем 0,3—1 см.
Занимательные факты
1) Поскольку средняя плотность тела рыб близка к плотности воды, их вес вблизи основных горизонтов жизнедеятельности достаточно хорошо уравновешивается выталкивающей силой по закону Архимеда. Благодаря ритмичной работе мышц рыба может отталкиваться от воды и таким образом перемешаться. При этом по ее телу в направлении от головы к хвосту с возрастающей: амплитудой пробегает плоская или винтообразная упругая волна. Скорость распространения этой волны превышает быстроту перемещения рыбы. За счет ритмичного отталкивания от воды при распространении по телу упругой волны и осуществляется плавание рыб. К помощи Плавников рыбы прибегают только для поддержания равновесия и при медленных перемещениях.
2) При сильном выхолаживании приземного воздуха в атмосфере могут возникать мощные температурные инверсии со скачком температуры 20° С й более. Центральные районы Якутии занимают первое место в мире по количеству таких инверсий. Проходящие через атмосферу под большим наклоном звуковые лучи в слоях инверсии испытывают сильное преломление и возвращаются к земле, за счет фокусировки звуковых лучей температурной инверсией резко возрастает дальность слышимости звуковых сигналов. Р.Скотт в Антарктиде при штиле и температуре -60°С слышал скрип снега под лыжами и удары ломов о лед с расстояния порядка 4-5 км. В Оймяконе лай собак, работа электропилы и широковещательные радиопередачи средней громкости на открытом воздухе в середине зимы хорошо слышны с расстояния в 2,5 км от места наблюдения.