На первый взгляд продольные волны кажутся обыденным явлением, которое мы встречаем повсюду в окружающем мире. Но если присмотреться, то можно обнаружить множество удивительных примеров существования таких волн в природе, а также в повседневной жизни и технических устройствах.
Что такое продольные волны и как они распространяются
Продольные волны - это волны, в которых колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения самой волны. Когда продольная волна проходит через среду, она вызывает в ней участки сгущения и разрежения частиц.
В сгущениях частицы находятся близко друг к другу, а в разрежениях располагаются на бóльших расстояниях. При этом сами частицы среды смещаются только взад-вперед во время колебаний, не переносятся вместе с волной по направлению ее распространения.
Скорость распространения продольных волн зависит от характеристик среды. В твердых телах она выше, чем у поперечных волн. А в жидкостях и газах продольные волны - единственно возможный вид волн.
Звуковые волны как разновидность продольных волн
Акустические или звуковые волны также являются продольными упругими волнами. Они представляют собой колебания давления, распространяющиеся в упругой среде.
В зависимости от частоты звуковые волны делятся на:
- Инфразвук - менее 20 Гц
- Слышимый звук - от 20 до 20 000 Гц
- Ультразвук - более 20 000 Гц
Скорость звука сильно отличается для разных сред. Например:
- В воздухе - примерно 330 м/с
- В воде - около 1 500 м/с
- В стали - порядка 5 000 м/с
Удивительные примеры продольных волн в природе
Вибрации камертона
Простой физический прибор - камертон - наглядно демонстрирует, как возникают и распространяются продольные волны.
Камертон состоит из двух металлических зубцов на рукоятке. Когда по зубцам ударяют молоточком, они начинают колебаться со звуковой частотой. Эти колебания вызывают периодические сжатия и разрежения в близлежащих слоях воздуха, то есть звуковые продольные волны.
Ультразвук в медицинской визуализации
Еще одним повседневным применением продольных волн служит ультразвуковое исследование (сонография) в медицине.
При этом процедуре в ткани тела человека посылаются импульсы ультразвука с частотой выше 20 кГц. Эти продольные волны отражаются от тканей и формируют диагностическое изображение.
Благодаря высокой проникающей способности, ультразвук позволяет получать изображения внутренних органов и кровеносных сосудов в режиме реального времени, не нанося вреда здоровью.
Дрожание стекол при приближении грозы
Сильные акустические волны от ударов молний заставляют дребезжать оконные стекла в домах при приближении грозы. Этот эффект вызван продольными звуковыми колебаниями, возбуждаемыми громом.
В зависимости от конструкции окон и звукоизоляции помещения, эти волны могут создавать громкий шум дребезжания или лишь слабый гул.
Цунами как пример поверхностных волн
Хотя цунами относится к разряду поверхностных волн, в глубине океана это явление представляет собой продольные волны.
В отличие от обычного морского волнения, при цунами в движение приходят огромные массы воды от дна до поверхности. На большой глубине траектории движения частиц воды имеют форму замкнутых петель.
Это означает, что волны цунами ведут себя как продольные волны по мере распространения по толще воды океана. А перед самым побережьем превращаются в опасные поверхностные валы.
Использование ультразвука в неразрушающем контроле
Еще одна область применения ультразвуковых продольных волн - неразрушающий контроль материалов и изделий.
При этом методе короткие импульсы ультразвука частотой 0,1-50 МГц направляют в исследуемый объект. Отраженные сигналы несут информацию о наличии внутренних дефектов.
Благодаря высокой чувствительности, ультразвук способен выявлять мельчайшие повреждения, скрытые на большой глубине в материале. Это позволяет быстро оценивать качество деталей без разрушения.
Метод ультразвукового контроля широко используется для металлов, пластмасс, композитов, керамики.
Низкочастотные колебания в сабвуферах
Еще одним бытовым примером существования продольных волн служат сабвуферы – динамики для воспроизведения низких частот звука.
Они способны передавать акустические колебания в диапазоне 20-200 Гц, создавая ощутимые продольные волны давления воздуха в помещении.
Когда на сабвуфер подается звуковой сигнал, его диффузор совершает вперед-назад движения с большой амплитудой и малой частотой. Это вызывает периодические сжатия и разрежения воздуха – то есть звуковые продольные волны.
Продольные сейсмические волны в недрах Земли
Мощные продольные упругие волны возникают и глубоко под землей. Они называются сейсмическими P-волнами (первичными).
Причины возбуждения сейсмических волн различны – землетрясения, извержения вулканов, ядерные взрывы. Но механизм их распространения сходен.
Благодаря высокой скорости (до 8 км/с), P-волны опережают другие сейсмические волны. Они способны распространяться как в твердой, так и в жидкой среде – в горных породах и расплавах мантии.
Люди ощущают сейсмические толчки уже после прихода этих первичных продольных волн. А некоторые животные, вроде собак, улавливают P-волны заблаговременно.
Продольные волны высокой мощности как оружие
Существуют попытки создания акустического оружия, использующего мощный направленный ультразвук в качестве средства воздействия на людей.
Подобные продольные волны высокой интенсивности способны вызывать болевые ощущения, головокружение, тошноту. В импульсном режиме ультразвук может наносить механические повреждения тканям человека.
Однако дальность эффективного применения акустического оружия невелика. А на открытом воздухе ультразвук быстро затухает и рассеивается.
Таким образом, несмотря на военные разработки, практическое использование подобных систем маловероятно или нецелесообразно.
