Хвилі: види хвиль і визначення хвилі. Види електромагнітних і звукових хвиль

Хвилі бувають не тільки у воді. З них складаються звук, світло і т. Д. Як таке може бути і що таке хвилі взагалі?

Сутність

Цей термін використовується в різних наукових областях, але насамперед у фізиці. Згідно термінології даної дисципліни процес поширення коливань - це хвиля. Визначення нескладне, але на ділі все не так вже й просто. При цьому окремі частки не рухаються, а лише переміщуються поблизу своїх положень рівноваги. З чого випливає така властивість хвиль: вони є засобом перенесення енергії без змін до матерії. Іноді відбувається і це, але лише як побічне явище. Ті, хто хоч раз був на морі, прекрасно уявляють собі, що таке хвиля.

Визначення, втім, - це не єдине, що потрібно знати, стикаючись з даним явищем. Важливо те, що воно вкрай тісно взаємопов`язано з коливаннями, тому їх вивчення відбувається спільно як в теорії, так і на практиці.

Походження

Хвилі можуть генеруватися різними способами. Причиною їх виникнення завжди служить збудження частинок і виведення їх з рівноваги. Це може бути зроблено за допомогою спеціальних пристроїв, таких як антени або випромінювачі. Крім того, причиною може бути виникнення нестійкостей, як у випадку з сильним вітром, через якого по воді біжить брижі.

Історія дослідження явища

Вивченням механізму виникнення і поширення хвиль в різних наукових дисциплінах, таких як океанологія, сейсмологія, механіка, акустика, медицина і, зрозуміло, фізика в цілому, а також багато інших, займалися багато відомих учених. Вважається, що найбільш вагомий внесок зробив німецький дослідник Генріх Герц. Він встановив деякі закономірності і відкрив невідомі до цього явища, пов`язані із взаємодією електромагнітних хвиль, наприклад, інтерференцію, дифракцію і поляризацію. Його дослідження в подальшому були використані для створення радіозв`язку. Зрозуміло, були й інші вчені, які вивчали це явище і внісши у розвиток науки вагомий внесок, наприклад, Максвелл, але саме ім`я Герца було увічнено в одиниці вимірювання частоти хвилі.

Види хвиль

Існує величезна кількість класифікацій за різними ознаками. Насамперед, це напрямок коливань хвилі. Види хвиль по цьому критерію: поздовжні, поперечні, змішані. Існують і зовсім інші способи їх угруповання: опис рівняннями, геометрія, фізичне середовище і т. Д.

Важливо, що при виникненні цього явища нічого принципово нового в речовині не з`явиться, змінюється лише організація частинок, що й породжує ті чи інші події. З точки зору сприйняття це може бути виражено як світло, колір, звук, радіація, а також невидима оку енергія і т. Д. У свою чергу, вони також можуть бути класифіковані.

Крім того, ще розрізняють механічні та електромагнітні хвилі. Види хвиль з першої категорії також можуть розділятися на пружні і ті, які виникають на поверхні води. Ця класифікація передбачає розгляду середовища поширення. В цілому ж основне і найпопулярніше поділ включає в себе тільки звукові і електромагнітні хвилі. Про них в подальшому і піде мова більш докладно.

Загальний опис

Будь хвиля володіє рядом властивостей і параметрів, за допомогою яких її можна описати. По-перше, це її довжина, яка позначається як lambda- (лямбда). Крім того, вона володіє частотою, періодом і швидкістю. Окремо виділяють хвильовий фронт або поверхню, то є безліч точок, що знаходяться в однаковій фазі, і промінь або вектор, що показує напрямок поширення.

З останніми двома параметрами пов`язана ще одна класифікація. Залежно від виду фронту хвилі можуть бути сферичними і плоскими. Для спрощених розрахунків та вирішення деяких завдань поверхня може вважатися плоскою, але тільки за умови значного віддалення від джерела. Виходячи з усіх цих характеристик, і виділяють різні види хвиль.

Приклади

Крім самих зрозумілих речей, на зразок звучання струни або хвиль на морі, можна подумати також про колах на воді, що з`являються від кинутого каменя, вибухах, сні на м`якому матраці і багатьох інших явищах. Ультрафіолетові або інфрачервоні промені, а також те, що не чути людському вуху - все це прояви одного і того ж явища, поширення хвилі. Види хвиль настільки різноманітні, а самі вони настільки багатоликі, що дійсно складно повірити в те, що такі різні речі, по суті, мають одну природу.

Звукові хвилі: особливості

Слух дає людині величезну кількість інформації про навколишній світ. Але без хвиль це було б неможливо. Звукова їх різновид відноситься до пружним. Їх особливість полягає в тому, що довжина таких хвиль і, відповідно, частота такі, що висота знаходиться в межах чутності. Для людини цей діапазон становить від 20 до 20000 герц. Все, що нижче, називається інфразвуком, а вище - ультразвуком. Перший поки ще погано вивчений, а от другий широко використовується в науці, медицині і багатьох інших областях. Такі види звукових хвиль. Їх характеристики визначаються такими параметрами, як довжина, частота і поєднання різних видів коливань. Від цього залежать, відповідно, гучність, висота тону і тембр.

Як і будь-яка інша хвиля, звук за природою своєю викликаний коливаннями. Це можна відчути, наприклад, стоячи на концерті поруч з колонкою. Хвилі можуть поширюватися в багатьох видах середовищ, в тому числі рідких і твердих. У вакуумі само, як вважається, звуки не чутні. Саме тому так часто бувають закиди в бік голлівудських режисерів, що знімають сцени з масштабними і гучними вибухами в безповітряному просторі. Вивченням звукових коливань і хвиль займається досить великий розділ фізики - акустика. Ця вкрай цікава наука має багато способів застосування в житті. Наприклад, з використанням знань акустики проектуються концертні та оперні зали, щоб вистави були добре чутні на будь-яких місцях.

Сприйняття звуків людиною і тваринами відбувається за рахунок перетворення механічних коливань в електричні сигнали. Цей механізм досить складний, але його значення не можна переоцінити. Втім, те ж саме можна сказати про звуки взагалі. З їх допомогою можна спілкуватися, передавати інформацію, міняти настрій. Вони впливають на людей, навіть якщо знаходяться поза межами чутності. Саме тому існує, наприклад, поняття "Шумове забруднення". За одиницю гучності звуку прийнятий бел, названий так на честь вченого А. Белла, винахідника телефону.

Властивості та види електромагнітних хвиль

Але є й особливий тип коливань, без яких складно уявити сучасне життя. Мобільні телефони, бездротовий зв`язок, радіо, СВЧ-печі та багато інших прилади не існували б, якби не були відкриті електромагнітні хвилі. А ще було б неможливо сприймати колір, та й світла не існувало б. Хіба можна це собі уявити?

На відміну від звуків цей різновид коливань може поширюватися в будь-яких середовищах, в тому числі і у вакуумі, причому їх швидкість дорівнює швидкості світла. По суті, даний тип хвиль є поширенням електромагнітних полів у просторі та часі. Їх структура вкрай цікава, оскільки вона складається з двох частин. Магнітне та електричне поля поперемінно породжують один одного і поширюються по взаємно перпендикулярним векторах. Одне з основних властивостей такої хвилі - вона завжди поперечна. Крім того, вона завжди поширюється з прискоренням.

Розрізняють різні види електромагнітних хвиль в залежності від їх довжини. Існує 6 основних діапазонів від найдовших до найкоротших:

• радіоволни;
• інфрачервоне випромінювання, інакше кажучи, тепло;
• видиме світло і кольори;
• ультрафіолет;
• рентген;
• гамма-випромінювання (у тому числі радіація).

Адже дійсно практично неможливо уявити світ без всіх цих явищ.