Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Плоская пульсовая волна давления

Продольные волны - это волны, в которых смещение среды совпадает с направлением распространения волны или противоположно ему. Механические продольные волны также называют волнами сжатия или сжатия , потому что они вызывают сжатие и разрежение при движении через среду, и волнами давления , поскольку они вызывают увеличение и уменьшение давления.

Другой основной тип волн - это поперечная волна , в которой смещения среды происходят под прямым углом к ​​направлению распространения. Поперечные волны, например, описывают некоторые объемные звуковые волны в твердых материалах (но не в жидкостях); их также называют «поперечными волнами», чтобы отличать их от (продольных) волн давления, которые эти материалы также поддерживают.

К продольным волнам относятся звуковые волны ( колебания давления, частицы смещения и скорости частиц, распространяющиеся в упругой среде) и сейсмические P-волны (создаваемые землетрясениями и взрывами). В продольных волнах смещение среды параллельно распространению волны. Волна вдоль вытянутой игрушки Slinky , где расстояние между катушками увеличивается и уменьшается, является хорошей визуализацией и контрастирует со стоячей волной вдоль колеблющейся поперечной струны гитары.

Номенклатура [ править ]

«Продольные волны» и «поперечные волны» были сокращены некоторыми авторами как «L-волны» и «T-волны» соответственно для их собственного удобства. [1] Хотя эти два сокращения имеют определенные значения в сейсмологии (L-волна для волны Лява [2] или длинная волна [3] ) и электрокардиографии (см. T-волна ), некоторые авторы решили использовать «l-волны» (строчные буквы ' L ') и «t-волны», хотя они обычно не встречаются в сочинениях по физике, за исключением некоторых научно-популярных книг. [4]

Звуковые волны [ править ]

Дополнительная информация: Акустическая теория.

В случае продольных гармонических звуковых волн частоту и длину волны можно описать формулой

куда:

  • y - смещение точки на бегущей звуковой волне;
    Представление распространения всенаправленной импульсной волны на 2-мерной сетке (эмпирическая форма)
  • x - расстояние, которое точка прошла от источника волны;
  • t - прошедшее время;
  • y 0 - амплитуда колебаний,
  • c - скорость волны; и
  • ω - угловая частота волны.

Величина x / c - это время, за которое волна преодолевает расстояние x .

Обычная частота ( f ) волны определяется выражением

Длину волны можно рассчитать как отношение между скоростью волны и обычной частотой.

Для звуковых волн амплитуда волны - это разница между давлением невозмущенного воздуха и максимальным давлением, создаваемым волной.

Скорость распространения звука зависит от типа, температуры и состава среды, в которой он распространяется.

Волны давления [ править ]

Приведенные выше уравнения звука в жидкости также применимы к акустическим волнам в упругом твердом теле. Хотя твердые тела также поддерживают поперечные волны (известные в сейсмологии как S-волны ), продольные звуковые волны в твердом теле существуют со скоростью и волновым сопротивлением, зависящими от плотности материала и его жесткости , последняя из которых описана (как со звуком в газ) по модулю объемной упругости материала . [5]

Электромагнетизм [ править ]

Уравнения Максвелла приводят к предсказанию электромагнитных волн в вакууме, которые являются строго поперечными волнами , то есть электрическое и магнитное поля, из которых состоит волна, перпендикулярны направлению распространения волны. [6] Однако плазменные волны являются продольными, поскольку это не электромагнитные волны, а волны плотности заряженных частиц, которые могут взаимодействовать с электромагнитным полем. [6] [7] [8]

После попыток Хевисайда обобщить уравнения Максвелла , Хевисайд пришел к выводу, что электромагнитные волны нельзя рассматривать как продольные в « свободном пространстве » или в однородных средах. [9] Уравнения Максвелла, как мы их теперь понимаем, сохраняют этот вывод: в свободном пространстве или других однородных изотропных диэлектриках электромагнитные волны строго поперечны. Однако электромагнитные волны могут отображать продольную составляющую в электрическом и / или магнитном полях при прохождении двулучепреломляющих материалов или неоднородных материалов, особенно на границах раздела (например, поверхностные волны), такие как волны Ценнека . [10]

В развитии современной физики Александру Прока (1897-1955) был известен разработкой релятивистских квантовых уравнений поля, носящих его имя (уравнения Прока), которые применяются к массивным векторным мезонам со спином 1. В последние десятилетия некоторые другие теоретики, такие как Жан-Пьер Вижье и Бо Ленерт из Шведского Королевского общества, использовали уравнение Прока в попытке продемонстрировать массу фотона [11] как продольную электромагнитную составляющую уравнений Максвелла, предполагая, что продольные электромагнитные волны могли существовать в дираковском поляризованном вакууме. Однако масса покоя фотона сильно сомневается почти всеми физиками и несовместима со Стандартной моделью физики.

См. Также [ править ]

  • Поперечная волна
  • Звук
  • Акустическая волна
  • Зубец P
  • Плазменные волны

Ссылки [ править ]

  1. ^ Эрхард Винклер (1997), Камень в архитектуре: свойства, долговечность , стр.55 и стр.57 , Springer Science & Business Media
  2. ^ Майкл Аллаби (2008), Словарь наук о Земле (3-е изд.), Oxford University Press
  3. ↑ Дин А. Шталь, Карен Ланден (2001), Словарь сокращений , десятое издание , стр. 618 , CRC Press
  4. ^ Франсин Милфорд (2016), Тюнинг вилки , pp.43-44
  5. ^ Вайсштейн, Эрик В., " P-Wave ". Мир науки Эрика Вайсштейна.
  6. ^ а б Дэвид Дж. Гриффитс , Введение в электродинамику, ISBN  0-13-805326-X
  7. ^ Джон Д. Джексон, Классическая электродинамика, ISBN 0-471-30932-X . 
  8. ^ Джеральд Э. Марш (1996), свободные от силы магнитные поля, World Scientific, ISBN 981-02-2497-4 
  9. ^ Хевисайд, Оливер, " Электромагнитная теория ". Приложения: D. О продольных электрических или магнитных волнах . Chelsea Pub Co; 3-е издание (1971 г.) 082840237X
  10. ^ Corum, KL, и JF Corum, " Поверхностная волна Ценнека ", Никола Тесла, Наблюдения за молниями и стационарные волны, Приложение II . 1994 г.
  11. ^ Озера, Родерик (1998). "Экспериментальные пределы массы фотона и космического магнитного векторного потенциала". Письма с физическим обзором . 80 (9): 1826–1829. Bibcode : 1998PhRvL..80.1826L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.80.1826 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Варадан В.К., Васундара В. Варадан, " Рассеяние и распространение упругих волн ". Затухание из-за рассеяния ультразвуковых волн сжатия в гранулированных средах - А. Дж. Девани, Х. Левин и Т. Плона. Анн-Арбор, штат Мичиган, Ann Arbor Science, 1982.
  • Шааф, Джон ван дер, Яап К. Схоутен и Кор М. ван ден Блик, « Экспериментальное наблюдение волн давления в псевдоожиженных слоях газ-твердые тела ». Американский институт инженеров-химиков. Нью-Йорк, Нью-Йорк, 1997 год.
  • Кришан, С .; Селим, А.А. (1968). «Генерация поперечных волн нелинейным волновым взаимодействием». Физика плазмы . 10 (10): 931–937. Bibcode : 1968PlPh ... 10..931K . DOI : 10.1088 / 0032-1028 / 10/10/305 .
  • Барроу, WL (1936). «Передача электромагнитных волн в полых металлических трубках». Труды ИРЭ . 24 (10): 1298–1328. DOI : 10.1109 / JRPROC.1936.227357 .
  • Рассел, Дэн, " Продольное и поперечное волновое движение ". Acoustics Animations, Государственный университет Пенсильвании, аспирантура по акустике.
  • Продольные волны, с анимацией " Физический класс "