Волны бывают не только в воде. Из них состоят звук, свет и т. д. Как такое может быть и что такое волны вообще?
Сущность
Этот термин используется в различных научных областях, но прежде всего в физике. Согласно терминологии данной дисциплины процесс распространения колебаний - это волна. Определение несложное, но на деле все не так уж и просто. При этом отдельные частицы не движутся, а лишь перемещаются вблизи своих положений равновесия. Из чего следует такое свойство волн: они являются средством переноса энергии без изменений в материи. Иногда происходит и это, но лишь как побочное явление. Те, кто хоть раз был на море, прекрасно представляют себе, что такое волна.
Определение, впрочем, - это не единственное, что нужно знать, сталкиваясь с данным явлением. Важно то, что оно крайне тесно взаимосвязано с колебаниями, поэтому их изучение происходит совместно как в теории, так и на практике.
Происхождение
Волны могут генерироваться различными способами. Причиной их возникновения всегда служит возбуждение частиц и выведение их из равновесия. Это может быть сделано с помощью специальных устройств, таких как антенны или излучатели. Кроме того, причиной может быть возникновение неустойчивостей, как в случае с сильным ветром, из-за которого по воде бежит рябь.
История исследования явления
Изучением механизма возникновения и распространения волн в различных научных дисциплинах, таких как океанология, сейсмология, механика, акустика, медицина и, разумеется, физика в целом, а также многие другие, занимались многие известные ученые. Считается, что наиболее весомый вклад внес немецкий исследователь Генрих Герц. Он установил некоторые закономерности и открыл неизвестные до этого явления, связанные с взаимодействием электромагнитных волн, например, интерференцию, дифракцию и поляризацию. Его исследования в дальнейшем были использованы для создания радиосвязи. Разумеется, были и другие ученые, изучавшие это явление и внесшие в развитие науки весомый вклад, например, Максвелл, но именно имя Герца было увековечено в единице измерения частоты волны.
Виды волн
Существует огромное количество классификаций по различным признакам. Прежде всего, это направление колебаний волны. Виды волн по этому критерию: продольные, поперечные, смешанные. Существуют и совершенно другие способы их группировки: описание уравнениями, геометрия, физическая среда и т. д.
Важно, что при возникновении этого явления ничего принципиально нового в веществе не появляется, меняется лишь организация частиц, что и порождает те или иные события. С точки зрения восприятия это может быть выражено как свет, цвет, звук, радиация, а также невидимая глазу энергия и т. д. В свою очередь, они также могут быть классифицированы.
Кроме того, еще различают механические и электромагнитные волны. Виды волн из первой категории также могут разделяться на упругие и те, которые возникают на поверхности воды. Эта классификация подразумевает рассмотрения среды распространения. В целом же основное и самое популярное деление включает в себя только звуковые и электромагнитные волны. О них в дальнейшем и пойдет речь более подробно.
Общее описание
Любая волна обладает рядом свойств и параметров, с помощью которых ее можно описать. Во-первых, это ее длина, которая обозначается как λ (лямбда). Кроме того, она обладает частотой, периодом и скоростью. Отдельно выделяют волновой фронт или поверхность, то есть множество точек, находящихся в одинаковой фазе, и луч или вектор, показывающий направление распространения.
С последними двумя параметрами связана еще одна классификация. В зависимости от вида фронта волны могут быть сферическими и плоскими. Для упрощенных расчетов и решения некоторых задач поверхность может считаться плоской, но только при условии значительного удаления от источника. Исходя из всех этих характеристик, и выделяют разные виды волн.
Примеры
Помимо самых понятных вещей, вроде звучания струны или волн на море, можно подумать также о кругах на воде, появляющихся от брошенного камня, взрывах, сне на мягком матрасе и многих других явлениях. Ультрафиолетовые или инфракрасные лучи, а также то, что не слышно человеческому уху - все это проявления одного и того же явления, распространения волны. Виды волн настолько разнообразны, а сами они настолько многолики, что действительно сложно поверить в то, что такие разные вещи, по сути, имеют одну природу.
Звуковые волны: особенности
Слух дает человеку огромное количество информации об окружающем мире. Но без волн это было бы невозможно. Звуковая их разновидность относится к упругим. Их особенность состоит в том, что длина таких волн и, соответственно, частота таковы, что высота находится в пределах слышимости. Для человека этот диапазон составляет от 20 до 20000 герц. Все, что ниже, называется инфразвуком, а выше - ультразвуком. Первый пока еще плохо изучен, а вот второй широко используется в науке, медицине и многих других областях. Таковы виды звуковых волн. Их характеристики определяются такими параметрами, как длина, частота и сочетание разных видов колебаний. От этого зависят, соответственно, громкость, высота тона и тембр.
Как и любая другая волна, звук по природе своей вызван колебаниями. Это можно ощутить, например, стоя на концерте рядом с колонкой. Волны могут распространяться во многих видах сред, в том числе жидких и твердых. В вакууме же, как считается, звуки не слышны. Именно поэтому так часто бывают упреки в сторону голливудских режиссеров, снимающих сцены с масштабными и громкими взрывами в безвоздушном пространстве. Изучением звуковых колебаний и волн занимается довольно обширный раздел физики - акустика. Эта крайне интересная наука имеет много способов применения в жизни. Например, с использованием знаний акустики проектируются концертные и оперные залы, чтобы представления были хорошо слышны на любых местах.
Восприятие звуков человеком и животными происходит за счет преобразования механических колебаний в электрические сигналы. Этот механизм довольно сложен, но его значение нельзя переоценить. Впрочем, то же самое можно сказать о звуках вообще. С их помощью можно общаться, передавать информацию, менять настроение. Они влияют на людей, даже если находятся вне пределов слышимости. Именно поэтому существует, например, понятие "шумовое загрязнение". За единицу громкости звука принят бел, названный так в честь ученого А. Белла, изобретателя телефона.
Свойства и виды электромагнитных волн
Но есть и особый тип колебаний, без которых сложно представить современную жизнь. Мобильные телефоны, беспроводная связь, радио, СВЧ-печи и многие другие приборы не существовали бы, если бы не были открыты электромагнитные волны. А еще было бы невозможно воспринимать цвет, да и света не существовало бы. Разве можно это себе представить?
В отличие от звуков эта разновидность колебаний может распространяться в любых средах, в том числе и в вакууме, причем их скорость равна скорости света. По сути, данный тип волн является распространением электромагнитных полей в пространстве и времени. Их структура крайне интересна, поскольку она состоит из двух частей. Магнитное и электрическое поля попеременно порождают друг друга и распространяются по взаимно перпендикулярным векторам. Одно из основных свойств такой волны - она всегда поперечная. Кроме того, она всегда распространяется с ускорением.
Различают разные виды электромагнитных волн в зависимости от их длины. Существует 6 основных диапазонов от самых длинных до самых коротких:
- радиоволны;
- инфракрасное излучение, иначе говоря, тепло;
- видимый свет и цвета;
- ультрафиолет;
- рентген;
- гамма-излучение (в том числе радиация).
Ведь действительно практически невозможно представить мир без всех этих явлений.
