Продольные и поперечные волны

При возникновении волн в пружине колебания её витков происходили вдоль направления распространения волны в ней (рис. 1).

Рис. 1

Волны, в которых колебания происходят вдоль направления их распространения, называются продольными волнами.

Кроме продольных волн существуют и поперечные волны.

Проведём опыт.

Возьмём длинный резиновый шнур. Один конец этого шнура закрепим, другой конец приведём в колебательное движение в вертикальной плоскости (перпендикулярно горизонтально расположенному шнуру). Благодаря силам упругости, возникающим в шнуре, колебания будут распространяться вдоль шнура. В нём возникают волны, причём колебания частиц шнура происходят перпендикулярно направлению распространения волн (рис. 2).

Рис. 2

Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения, называются поперечными волнами.

Движение частиц среды, в которой образуются как поперечные, так и продольные волны, можно наглядно продемонстрировать с помощью волновой машины (рис. 3, 4).

На рисунке 3 показана продольная волна, а на рисунке 4 — поперечная. Обе волны распространяются в горизонтальном направлении.

Рис. 3

Рис. 4

На волновой машине представлен только один ряд шариков. Но, наблюдая за их движением, можно понять, как распространяются волны в сплошных средах, протяжённых во всех трёх направлениях (например, в некотором объёме твёрдого, жидкого или газообразного вещества).

Для этого представим, что каждый шарик является частью вертикального слоя вещества, расположенного перпендикулярно к плоскости рисунка.

При распространении поперечной волны эти слои, подобно шарикам, будут сдвигаться друг относительно друга, совершая колебания в вертикальном направлении (рис. 5). Поэтому поперечные механические волны являются волнами сдвига.

Продольные волны — это волны сжатия и разрежения. В этом случае деформация слоёв среды состоит в изменении их плотности, так что продольные волны представляют собой чередующиеся уплотнения и разрежения (рис. 7).

Обрати внимание!

Упругие силы при сдвиге слоев возникают только в твёрдых телах. В жидкостях и газах смежные слои свободно скользят друг по другу без появления противодействующих упругих сил. Раз нет упругих сил, то и образование упругих волн в жидкостях и газах невозможно. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твёрдых телах.

При сжатии и разрежении (т. е. при изменении объёма участков тела) упругие силы возникают как в твёрдых телах, так и в жидкостях и газах. Поэтому продольные волны могут распространяться в любой среде — твёрдой, жидкой и газообразной.