Во многих явлениях окружающего мира мы сталкиваемся с волнами. Волны на воде, звук от громкого хлопка, колебания пружины, землетрясения — всё это примеры распространения колебаний в различных средах. Волна — одно из фундаментальных понятий физики, и понимание её свойств важно не только в изучении механики, но и в дальнейшем изучении оптики, акустики и электромагнетизма.

В этом уроке мы разберём, как распространяются колебания в упругой среде, что такое волна, какие типы волн существуют и чем продольные волны отличаются от поперечных. Особое внимание уделим механизму передачи энергии при движении волны и реальным примерам из повседневной жизни.

---

Распространение упругих колебаний. Волна

Когда тело совершает колебания, оно может передавать часть своей энергии соседним частям среды. Представим, что мы взяли длинную упругую пружину и резко толкнули её конец. Мы увидим, как вдоль пружины начинает распространяться «бугорок» — это и есть волна.

Волна — это процесс распространения колебаний в среде с переносом энергии без переноса вещества.

Важно: частицы среды колеблются около положения равновесия, но сами не двигаются вместе с волной на большие расстояния. Например, при звуке воздух не течёт от источника к слушателю — только колеблется, а вот энергия распространяется.

Любая механическая волна характеризуется:

• Амплитудой A — максимальным отклонением частиц от положения равновесия

• Периодом T и частотой ν

• Скоростью распространения v

• Длиной волны λ — расстоянием, которое волна проходит за один период:

  ​

---

Продольные и поперечные волны

Существуют два основных типа механических волн.

Продольные волны

В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления движения волны.

Пример: звук в воздухе.
При прохождении звука в воздухе образуются чередующиеся участки сгущений и разрежений.

Другие примеры: волны в пружине, толчки в колонне людей.

Поперечные волны

В поперечной волне частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.

Пример: волны на струне гитары или колебания поверхности воды.

Поперечные волны могут распространяться только в твёрдых телах или на поверхности жидкостей — для них нужна способность материала сопротивляться сдвигу.

---

Механизм передачи энергии волной

Когда первая частица среды приходит в движение, она взаимодействует со следующей частицей и передаёт ей часть энергии. Затем следующая — следующей, и так далее.

В итоге образуется движущаяся область колебаний — волна.

Важно понимать:

• частицы не двигаются вместе с волной, они колеблются на месте;

• движется форма колебаний, то есть переносится энергия.

---

Примеры волн вокруг нас

• звук от хлопка или грома — продольная волна в воздухе;

• волны на поверхности воды — поперечные волны;

• сейсмические колебания — и продольные, и поперечные;

• колебания длинного каната в спортзале;

• вибрации в деталях машин и механизмов.

---

Задачи с решениями

---

Задача 1

По струне бежит поперечная волна со скоростью 5 м/с. Частота колебаний составляет 10 Гц. Найти длину волны.

Решение:
Используем формулу

​

Ответ: 0,5 м.

---

Задача 2

Источник звука издаёт волну частотой 440 Гц (нота «ля»). Скорость звука в воздухе 330 м/с. Найти длину звуковой волны.

Решение:

Ответ: 0,75 м.

---

Задача 3

В продольной волне в пружине период колебаний равен 0,2 с, а скорость распространения 4 м/с. Найти частоту и длину волны.

Решение:

1. Частота:

2. Длина волны:

Ответ: ν = 5 Гц, λ = 0,8 м.

---

Вопросы для самопроверки

1. Что такое волна? Почему при распространении волны нет переноса вещества?

2. Какие величины характеризуют механическую волну?

3. В чём отличие продольных волн от поперечных?

4. Какие волны могут распространяться в газах, какие — в твёрдых телах?

5. Почему звук является продольной волной?

6. Как связаны скорость волны, её длина и частота?

7. Какие процессы в природе можно назвать волнами?

8. Как передаётся энергия при распространении волны?