Поперечні і поздовжні хвилі

Всі ми добре знайомі з прикметниками «поздовжній» і «поперечний». І не просто знайомі, а активно використовуємо їх у повсякденному житті. Але коли мова заходить про хвилях, неважливо яких - в рідині, повітрі, твердої матерії або електромагнітних полях, то часто виникає низка запитань. Зазвичай, чуючи слова «поперечні і поздовжні хвилі», середньостатистична людина представляє синусоїду. Дійсно, коливальні обурення на воді саме так і виглядають, тому життєвий досвід дає саме таку підказку. Насправді світ більш складний і різноманітний: у ньому існують як поздовжні хвилі, так і поперечні.

Якщо в якому-небудь середовищі (поле, газ, рідина, тверда матерія) виникають коливання, що переносять енергію від однієї точки до іншої зі швидкістю, що залежить від властивостей самого середовища, то вони називаються хвилями. Через те, що коливання поширюються не миттєво, фази хвилі в початковій точці і будь-якої кінцевої в міру віддалення від джерела все більше різняться. Важливий момент, який слід завжди пам`ятати: при перенесенні енергії через коливання самі частинки, з яких складається середу, не переміщаються, а залишаються на своїх врівноважених положеннях. Причому, якщо розглядати процес більш детально, стає зрозуміло, що коливаються непоодинокі частинки, а їх групи, зосереджені в якій-небудь одиниці об`єму. Це можна проілюструвати на прикладі зі звичайною мотузкою: якщо один її кінець зафіксувати, а з іншого виробляти хвилеподібні рухи (у будь-якій площині), то хоча хвилі виникають, матеріал мотузки не руйнується, що відбувалося б при русі частинок в її структурі.

Поздовжні хвилі характерні тільки газоподібним і рідким середах, а ось поперечні - також і твердим тілам. В даний час існуюча класифікація ділить всі коливальні обурення на три групи: електромагнітні, рідинні і пружні. Останні, як можна здогадатися з назви, притаманні пружним (твердим) середах, тому їх іноді називають механічними.

Поздовжні хвилі виникають тоді, коли частки середовища коливаються, орієнтуючись вздовж вектора поширення обурення. Прикладом може служити удар по торця металевого стержня щільним масивним предметом. Поперечні хвилі поширюються в перпендикулярному вектору впливу напрямку. Закономірне питання: «Чому ж в газах і рідких середовищах можуть виникати тільки поздовжні хвилі»? Пояснення просте: причина цього полягає в тому, що частинки, що становлять дані середовища, можуть вільно переміщатися, так як жорстко не зафіксовані, на відміну від твердих тіл. Відповідно, поперечні коливання принципово неможливі.

Вищесказане можна сформулювати трохи інакше: якщо в середовищі деформація, викликана обуренням, проявляється у вигляді зсуву, розтягування і стиснення, то мова йде про твердому тілі, для якого можливі як поздовжні, так і поперечні хвилі. Якщо ж поява зсуву неможливо, то середовище може бути будь-хто.

Особливий інтерес представляють поздовжні електромагнітні хвилі (ПЕВ). Хоча теоретично нічого не заважає виникненню таких коливань, офіційна наука заперечує їх існування в природному середовищі. Причина, як завжди буває, проста: сучасна електродинаміка виходить з принципу, що електромагнітні хвилі можуть бути тільки поперечними. Відмова від подібного світогляду спричинить за собою необхідність перегляду багатьох фундаментальних переконань. Незважаючи на це, існує багато публікацій результатів експериментів, практично доводять існування ПЕВ. А це побічно означає виявлення ще одного стану матерії, при якому, власне, можлива генерація даного типу хвиль.