какие волны являются поперечными
Какие волны являются поперечными
Пусть колеблющееся тело находится в среде, все частицы которой связаны между собой. Соприкасающиеся с ним частицы среды придут в колебательное движение, в результате чего в прилегающих к этому телу участках среды возникают периодические деформации (например, сжатие и растяжение). При деформациях в среде появляются упругие силы, которые стремятся вернуть частицы среды в первоначальное состояние равновесия.
Таким образом, периодические деформации, которые появились в каком-нибудь месте упругой среды, будут распространяться с некоторой скоростью, зависящей от свойств среды. При этом частицы среды не вовлекаются волной в поступательное движение, а совершают колебательные движения около своих положений равновесия, от одних участков среды к другим передается только упругая деформация.
Процесс распространения колебательного движения в среде называется волновым процессом или просто волной. Иногда эту волну называют упругой, потому что она обусловлена упругими свойствами среды.
В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны, различают продольные и поперечные волны. Интерактивная демонстрация поперечной и продольной волны
Продольная волна – это волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны.
Продольную волну можно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив по одному из концов пружины, можно заметить, как по пружине будут распространяться последовательные сгущения и разрежения ее витков, бегущие друг за другом. На рисунке точками показано положение витков пружины в состоянии покоя, а затем положения витков пружины через последовательные промежутки времени, равные четверти периода.
Рассмотрим подробнее процесс образования поперечных волн. Возьмем в качестве модели реального шнура цепочку шариков (материальных точек), связанных друг с другом упругими силами. На рисунке изображен процесс распространения поперечной волны и показаны положения шариков через последовательные промежутки времени, равные четверти периода.
В начальный момент времени (t0 = 0) все точки находятся в состоянии равновесия. Затем вызываем возмущение, отклонив точку 1 от положения равновесия на величину А и 1-я точка начинает колебаться, 2-я точка, упруго связанная с 1-й, приходит в колебательное движение несколько позже, 3-я — еще позже и т.д. Через четверть периода колебания ( t 2 = T 4 ) распространятся до 4-й точки, 1-я точка успеет отклониться от своего положения равновесия на максимальное расстояние, равное амплитуде колебаний А. Через половину периода 1-я точка, двигаясь вниз, возвратится в положение равновесия, 4-я отклонилась от положения равновесия на расстояние, равное амплитуде колебаний А, волна распространилась до 7-й точки и т.д.
Демонстрация распространения поперечной волны
Вид волны зависит от вида деформации среды. Продольные волны обусловлены деформацией сжатия — растяжения, поперечные волны — деформацией сдвига. Поэтому в газах и жидкостях, в которых упругие силы возникают только при сжатии, распространение поперечных волн невозможно. В твердых телах упругие силы возникают и при сжатии (растяжении) и при сдвиге, поэтому в них возможно распространение как продольных, так и поперечных волн.
Как показывают рисунки, и в поперечной и в продольной волнах каждая точка среды колеблется около своего положения равновесия и смещается от него не более чем на амплитуду, а состояние деформации среды передается от одной точки среды к другой. Важное отличие упругих волн в среде от любого другого упорядоченного движения ее частиц заключается в том, что распространение волн не связано с переносом вещества среды.
Следовательно, при распространении волн происходит перенос энергии упругой деформации и импульса без переноса вещества. Энергия волны в упругой среде состоит из кинетической энергии совершающих колебания частиц и из потенциальной энергии упругой деформации среды.
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.
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.
Какие волны называются поперечными, а какие продольными
Что такое продольные и поперечные волны в физике
Волна — изменение характеристик физического поля или среды, способное удаляться от места возникновения или колебаться внутри ограниченной области пространства.
Продольные волны — волны, при которых частицы вещества колеблются вдоль направления распространения.
Поперечные волны — волны, при которых частицы вещества колеблются перпендикулярно направлению распространения.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
В какой среде возможно распространение
И продольные, и поперечные волны относятся к упругим — возникающим только в упругой среде, обладающей свойством после деформации возвращаться к прежней форме.
Продольные волны возникают при сопротивлении среды изменению ее объема, их причина — деформация сжатия/растяжения (в твердой среде) или уплотнения/разрежения (в газах и жидкостях).
Чтобы узнать длину волны, нужно измерить расстояние между ближайшими точками сжатия или растяжения.
Продольные волны могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной. Во время этого процесса непрерывно изменяется давление в каждой точке среды.
В твердых телах продольные волны распространяются быстрее, чем поперечные. Для сравнения: продольная волна движется в стали со скоростью около 5900 м/с, поперечная — примерно 3250 м/с.
Поперечные волны возникают при сдвиге слоев среды относительно друг друга. Жидкости и газы не сопротивляются изменению формы, поэтому поперечные волны возможны только в твердых средах. Длина поперечной волны — расстояние между двумя ближайшими ее впадинами или горбами.
В каких направлениях совершаются колебания
Из-за преломления или отражения продольные волны на границе раздела двух сред могут превращаться в поперечные, и наоборот.
Как характеризуется поперечная волна или волна сдвига
Чтобы однозначно характеризовать движение волны, необходимо составить ее уравнение. Для упругих волн уравнением служит функция координат и времени смещения частиц среды от их положений равновесия.
Общее уравнение гармонической плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х в среде, которая не поглощает энергию:
В этом выражении A — амплитуда волны, \(\omega\) — циклическая частота, \(\varphi_0 \) — начальная фаза волны, определяемая началом отсчета х и t.
Скорость поперечной волны зависит от погонной массы \(\mu\) (массы единицы длины) и силы натяжения Т. Она рассчитывается по формуле \(\nu\;=\;\sqrt<\frac Т\mu>.\)
При распространении поперечной волны распределение возмущений среды происходит с нарушением симметрии.
Поляризация — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Поляризация влияет на скорость распространения волны, часто используется для создания оптических эффектов, например, 3D-изображения.
Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.
Примеры продольных и поперечных волн
Все акустические волны — продольные. Звуки, слышимые человеком, находятся в диапазоне 17–20000 Гц. Ниже этого диапазона расположены инфразвуковые волны, выше — ультразвуковые. Также к продольным волнам относятся сейсмические Р-волны, возникающие во время землетрясений.
Увидеть колебания продольной волны без специальных приборов можно на примере пружины, подвешенной горизонтально. Если ударить по одному ее концу, несколько витков пружины сблизятся, затем разойдутся. Это колебание будет постепенно переходить от витка к витку по всей длине пружины.
Поперечные волны возникают в натянутых струнах или нитях. В случае электромагнитных волн поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей. Механического колебания не происходит, но электромагнитные волны, например, световые, тоже принято относить к поперечным.