Каждый человек видел волны на воде и знает о существовании многих других видов волн, например звуковых и электромагнитных. Волны (волновой процесс) — эго процесс распространения колебаний в пространстве. Упругая волна — это процесс распространения колебаний в упругой среде. Характерное свойство волны — перенос энергии колебаний без переноса вещества.
Упругие волны называют поперечными, если частицы среды колеблются перпендикулярно распространению волны. Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по струне. Часто они возникают благодаря силе упругости при деформации сдвига, характерной для твердых сред. Кроме того, следует отметить поперечные волны на поверхности воды, где под действием силы тяжести колеблется граница сред.
Упругие волны называют продольными, если частицы среды колеблются вдоль распространения волны. Они возникают благодаря сжатию, поэтому существуют во всех средах. Пример: звуковые волны в газе. Если ударить молотком по металлическому стержню в торец, то пойдут продольные волны, а если сбоку — то поперечные.
Волновой фронт — множество точек, до которых дошло колебание в данный момент. Наиболее часто рассматривают волны с плоским или сферическим волновым фронтом. Плоский фронт имеет источником колебаний колеблющуюся плоскость, а сферический фронт исходит от точечного источника колебаний. При этом из геометрических соображений понятно, что если рассматривается малый фрагмент сферического фронта, удаленного от источника, то его приближенно можно считать плоским.
Волновая поверхность — это поверхность, точки которой совершают колебания в одинаковой фазе. Волновая поверхность обычно имеет вид своего волнового фронта, например плоского или сферического.
Волновой процесс периодичен во времени (характеризуется периодом) и пространстве (характеризуется длиной волны).
Принципы распространения волн были сформулированы X. Гюйгенсом:
- 1) каждая точка, до которой дошло колебание, становится источником вторичных волн;
- 2) волновой фронт является огибающей вторичных волн.
О. Ж. Френель внес уточнение в п. 2: волновой фронт является результатом интерференции вторичных волн.
Для описания волны надо ввести векторную функцию, задающую для данной точки временную зависимость смещения от положения равновесия частиц упругой среды s (x, г/, z, t).
