Površinski valovi. Enačba potujočega vala Zvezno valovanje z navpično polarizacijo

Valovanje(val, val, morje) - nastane zaradi adhezije delcev tekočine in zraka; Ko drsi po gladki gladini vode, zrak sprva ustvarja valovanje in šele nato, deluje na svoje nagnjene površine, postopoma razvije vznemirjenost vodne mase. Izkušnje so pokazale, da vodni delci nimajo gibanja naprej; premika le navpično. Morski valovi so gibanje vode na morski gladini, ki se pojavlja v določenih intervalih.

Najvišja točka vala se imenuje glavnik ali vrh vala, najnižja točka pa je podplat. Višina vala je razdalja od vrha do njegovega vznožja in dolžina to je razdalja med dvema grebenoma ali podplatoma. Čas med dvema vrhovoma ali koritoma se imenuje obdobje valovi.

Glavni vzroki

V povprečju višina vala med nevihto v oceanu doseže 7-8 metrov, običajno se lahko razteza v dolžino - do 150 metrov in do 250 metrov med nevihto.

V večini primerov so morski valovi odvisni od moči vetra, njegovega trajanja in "pospeška" - dolžine poti, po kateri veter deluje na vodo. površino. Včasih lahko valovi, ki udarijo ob obalo, izvirajo tisoče kilometrov od obale. Obstaja pa še veliko drugih dejavnikov pri nastanku morskih valov: to so plimske sile Lune in Sonca, nihanje atmosferskega tlaka, izbruhi podvodnih vulkanov, podvodni potresi in gibanje morskih plovil.

Valovi, opaženi v drugih vodnih telesih, so lahko dveh vrst:

1) Veter ki ga je ustvaril veter, po tem, ko veter preneha delovati, postane stabilen in se imenuje vzpostavljeni valovi ali valovanje; Vetrovni valovi nastanejo zaradi delovanja vetra (gibanja zračnih mas) na površino vode, to je vbrizgavanja. Razlog za nihajna gibanja valov postane lahko razumljiv, če opazite učinek istega vetra na površini pšeničnega polja. Jasno je vidna nestalnost vetrnih tokov, ki ustvarjajo valove.

2) Valovi gibanja, ali stoječi valovi, nastanejo kot posledica močnih tresljajev na dnu med potresi ali vzbujenih, na primer, zaradi močne spremembe atmosferskega tlaka. Te valove imenujemo tudi enojni valovi.

Za razliko od plimovanja in tokov valovi ne premikajo vodnih mas. Valovi se premikajo, voda pa ostaja na mestu. Čoln, ki se ziblje na valovih, ne odplava z valovi. Po nagnjenem pobočju se bo lahko rahlo premikala le zaradi sile zemeljske gravitacije. Delci vode se valovito premikajo po obročih. Dlje kot so ti obroči od površine, manjši postajajo in na koncu popolnoma izginejo. Ko ste v podmornici na globini 70-80 metrov, ne boste občutili učinka morskih valov niti med najhujšo nevihto na površini.

Vrste morskih valov

Valovi lahko prepotujejo ogromne razdalje, ne da bi spremenili obliko in skoraj brez izgube energije, še dolgo po tem, ko veter, ki jih je povzročil, poneha. Morski valovi, ki se razbijejo ob obalo, sprostijo ogromno energije, ki se je nabrala med potovanjem. Sila nenehno lomljivih valov spreminja obliko obale na različne načine. Širječi in valoviti valovi naplavljajo obalo in se zato imenujejo konstruktiven. Valovi, ki butajo ob obalo, jo postopoma uničujejo in odplavljajo plaže, ki jo varujejo. Zato se imenujejo uničujoče.

Nizki, široki, zaobljeni valovi stran od obale se imenujejo valovi. Zaradi valov vodni delci opisujejo kroge in obroče. Velikost kolobarjev se zmanjšuje z globino. Ko se val približuje nagnjeni obali, vodni delci v njem opisujejo vse bolj sploščene ovale. Ko se približajo obali, morski valovi ne morejo več zapreti svojih ovalov in val se zlomi. V plitvi vodi vodni delci ne morejo več zapreti svojih ovalov in val se zlomi. Rti so oblikovani iz trših kamnin in erodirajo počasneje kot sosednji deli obale. Strmi, visoki morski valovi spodkopavajo skalnate pečine ob vznožju in ustvarjajo niše. Pečine se včasih podirajo. Z valovi zglajena terasa je vse, kar je ostalo od skal, ki jih je uničilo morje. Včasih se voda po navpičnih razpokah v skali dvigne do vrha in izbruhne na površje ter oblikuje lijak. Uničujoča sila valov razširi razpoke v skali in nastanejo jame. Ko valovi obrabijo skalo na obeh straneh, dokler se ne srečajo na prelomu, nastanejo loki. Ko vrh loka pade v morje, ostanejo kamniti stebri. Njihovi temelji so spodkopani, stebri pa se zrušijo in nastanejo balvani. Prodniki in pesek na plaži so posledica erozije.

Uničujoči valovi postopoma razjedajo obalo in odnašajo pesek in kamenčke z morskih plaž. Valovi z vso težo svoje vode in odplaknjenega materiala na pobočja in pečine uničijo njihovo površino. V vsako razpoko, vsako razpoko stisnejo vodo in zrak, pogosto z eksplozivno energijo, ki postopoma ločujejo in oslabijo skale. Odlomljene kamenine se uporabijo za nadaljnje uničevanje. Tudi najtrše kamnine se postopoma uničijo, kopno na obali pa se pod vplivom valov spreminja. Valovi lahko uničijo morsko obalo z neverjetno hitrostjo. V Lincolnshiru v Angliji erozija (uničenje) napreduje s hitrostjo 2 m na leto. Od leta 1870, ko so na rtu Hatteras zgradili največji svetilnik v ZDA, je morje odplaknilo plaže 426 m v notranjost.

cunami

cunami To so valovi ogromne uničujoče moči. Povzročijo jih podvodni potresi ali vulkanski izbruhi in lahko prečkajo oceane hitreje kot reaktivno letalo: 1000 km/h. V globokih vodah so lahko manjše od enega metra, vendar se, ko se približajo obali, upočasnijo in zrastejo do 30-50 metrov, preden se zrušijo, poplavijo obalo in pometejo vse na svoji poti. 90 % vseh zabeleženih cunamijev se je zgodilo v Tihi ocean.

Najpogostejši razlogi.

Približno 80 % primerov nastanka cunamija je podvodni potresi. Pri potresu pod vodo pride do medsebojnega navpičnega premika dna: del dna potone, del pa se dvigne. Nihajna gibanja se dogajajo navpično na vodni površini in se vrnejo na prvotno raven - povprečno gladino morja - in ustvarijo vrsto valov. Vsakega podvodnega potresa ne spremlja cunami. Cunamigenski (to je ustvarjanje valov cunamija) je običajno potres s plitvim izvorom. Problem prepoznavanja cunamigenosti potresa še ni rešen, službe za opozarjanje pa se osredotočajo na magnitudo potresa. Najmočnejši cunamiji nastajajo v subdukcijskih conah. Prav tako je potrebno, da podvodni sunek resonira z valovnimi nihanji.

Zemeljski plazovi. Tovrstni cunamiji se pojavljajo pogosteje, kot so ocenjevali v 20. stoletju (približno 7 % vseh cunamijev). Pogosto potres povzroči zemeljski plaz in povzroči tudi val. 9. julija 1958 je potres na Aljaski povzročil zemeljski plaz v zalivu Lituya. Gmota ledu in zemeljskih kamnov se je zrušila z višine 1100 m. Na nasprotni obali zaliva je nastal val, ki je dosegel višino več kot 524 m. Takšni primeri so precej redki in ne veljajo za standardne . Toda podvodni plazovi se veliko pogosteje pojavljajo v deltah rek, ki niso nič manj nevarne. Potres lahko povzroči zemeljski plaz in na primer v Indoneziji, kjer je šelfna sedimentacija zelo velika, so še posebej nevarni plazoviti cunamiji, ki se redno pojavljajo in povzročajo lokalne valove, visoke več kot 20 metrov.

Vulkanski izbruhi predstavljajo približno 5 % vseh cunamijev. Veliki podvodni izbruhi imajo enak učinek kot potresi. Pri velikih vulkanskih eksplozijah iz eksplozije ne nastanejo le valovi, ampak voda napolni tudi votline izbruhanega materiala ali celo kaldero, kar povzroči dolg val. Klasičen primer je cunami, ki je nastal po izbruhu Krakatoe leta 1883. Ogromni cunamiji iz vulkana Krakatoa so bili opaženi v pristaniščih po vsem svetu in so skupno uničili več kot 5.000 ladij in ubili približno 36.000 ljudi.

Znaki cunamija.

• Nenadoma hitro umik vode z obale na precejšnjo razdaljo in sušenje dna. Bolj kot se morje umika, višji so lahko valovi cunamija. Ljudje, ki so na obali in ne vedo za nevarnosti, lahko ostanejo iz radovednosti ali zaradi nabiranja rib in školjk. V tem primeru je treba čim prej zapustiti obalo in se odmakniti čim dlje od nje - tega pravila je treba upoštevati, ko ste na primer na Japonskem, na obali Indonezije v Indijskem oceanu ali Kamčatki. V primeru telecunamija se val običajno približa, ne da bi se voda umaknila.
• Potres. Žarišče potresa je običajno v oceanu. Na obali je potres običajno precej šibkejši, pogosto pa potresa sploh ni. V območjih s cunamijem velja pravilo, da se je bolje, če se čuti potres, oddaljiti od obale in se hkrati povzpeti na hrib ter se tako vnaprej pripraviti na prihod vala.
• Nenavaden drift led in drugi plavajoči predmeti, nastajanje razpok v mrtvem ledu.
• Ogromne povratne napake na robovih mirujočega ledu in grebenov nastajanje množic in tokov.

lopovski valovi

lopovski valovi(Roaming waves, monster waves, freak waves - anomalous waves) - velikanski valovi, ki nastanejo v oceanu, visoki več kot 30 metrov, se obnašajo nenavadno za morske valove.

Še pred 10-15 leti so znanstveniki menili, da so zgodbe mornarjev o velikanskih morilskih valovih, ki se pojavijo od nikoder in potopijo ladje, zgolj pomorska folklora. Dolgo časa tavajoči valovi so veljali za fikcijo, saj niso ustrezali nobenemu takrat obstoječemu matematičnemu modelu za izračun nastanka in njihovega obnašanja, saj valovi z višino več kot 21 metrov ne morejo obstajati v oceanih planeta Zemlje.

Eden prvih opisov pošastnega vala sega v leto 1826. Njegova višina je bila več kot 25 metrov, opazili pa so ga v Atlantskem oceanu v bližini Biskajskega zaliva. Nihče ni verjel temu sporočilu. In leta 1840 je navigator Dumont d'Urville tvegal, da se je pojavil na srečanju Francoskega geografskega društva in izjavil, da je na lastne oči videl 35-metrski val. Prisotni so se mu smejali ki so se nenadoma pojavile sredi oceana, tudi ob majhni nevihti, njihova strmina pa je bila podobna strmim vodnim stenam, postajala je vse večja.

Zgodovinski dokazi o prevarantskih valovih

Tako je leta 1933 ladjo ameriške mornarice Ramapo ujela nevihta v Tihem oceanu. Sedem dni so ladjo premetavali valovi. In 7. februarja zjutraj je od zadaj nenadoma priplazil jašek neverjetne višine. Ladjo je najprej vrglo v globoko brezno, nato pa dvignilo skoraj navpično na goro peneče se vode. Posadka, ki je imela srečo, da je preživela, je zabeležila višino valov 34 metrov. Gibal se je s hitrostjo 23 m/s oziroma 85 km/h. Do zdaj velja, da je to najvišji prevarantski val, ki so ga kdaj izmerili.

Med drugo svetovno vojno, leta 1942, je ladja Queen Mary prepeljala 16 tisoč ameriških vojakov iz New Yorka v Združeno kraljestvo (mimogrede, rekord glede števila ljudi, prepeljanih na eni ladji). Nenadoma se je pojavil 28-metrski val. »Zgornja paluba je bila na običajni višini in nenadoma - nenadoma - se je nenadoma spustila,« se je spominjal dr. Norval Carter, ki je bil na krovu nesrečne ladje. Ladja se je nagnila pod kotom 53 stopinj – če bi bil kot še tri stopinje večji, bi bila smrt neizogibna. Zgodba o "Queen Mary" je bila osnova hollywoodskega filma "Poseidon".

Vendar pa so 1. januarja 1995 na naftni ploščadi Dropner v Severnem morju ob obali Norveške z instrumenti prvič zabeležili 25,6 metra visok val, imenovan Dropnerjev val. Projekt Maximum Wave nam je omogočil nov pogled na vzroke smrti suhotovornih ladij, ki so prevažale kontejnerje in drug pomemben tovor. Nadaljnje raziskave so v treh tednih po vsem svetu zabeležile več kot 10 posameznih velikanskih valov, katerih višina je presegala 20 metrov. Nov projekt se imenuje Wave Atlas, ki predvideva sestavo svetovnega zemljevida opazovanih pošastnih valov ter njegovo kasnejšo obdelavo in dodajanje.

Vzroki

Obstaja več hipotez o vzrokih za ekstremne valove. Mnogi od njih nimajo zdrave pameti. večina preproste razlage temeljijo na analizi preproste superpozicije valov različnih dolžin. Ocene pa kažejo, da je verjetnost ekstremnih valov v takšni shemi premajhna. Druga omembe vredna hipoteza nakazuje možnost fokusiranja valovne energije v nekaterih strukturah površinskega toka. Te strukture pa so preveč specifične, da bi mehanizem za fokusiranje energije lahko pojasnil sistematično pojavljanje ekstremnih valov. Najbolj zanesljiva razlaga za pojav ekstremnih valov bi morala temeljiti na notranjih mehanizmih nelinearnih površinskih valov brez vključevanja zunanjih dejavnikov.

Zanimivo je, da so takšni valovi lahko tako grebeni kot globeli, kar potrjujejo očividci. Nadaljnje raziskave vključujejo učinke nelinearnosti v vetrnih valovih, ki lahko privedejo do oblikovanja majhnih skupin valov (paketov) ali posameznih valov (solitonov), ki lahko potujejo na velike razdalje, ne da bi bistveno spremenili svojo strukturo. Tudi v praksi so bili podobni paketi večkrat opaženi. Značilne lastnosti Takšne skupine valov, ki potrjujejo to teorijo, so, da se gibljejo neodvisno od drugih valov in imajo majhno širino (manj kot 1 km), višine pa na robovih močno padajo.

Vendar še ni bilo mogoče popolnoma razjasniti narave nenormalnih valov.

Vsaka lokalna kršitev vodoravne površine tekočine vodi do pojava valov, ki se širijo po površini in hitro oslabijo z globino. Nastanek valov nastane zaradi skupnega delovanja težnosti in vztrajnostne sile (gravitacijski hidrodinamični valovi) ali površinske napetosti in vztrajnostne sile (kapilarni valovi).

Predstavimo nekaj rezultatov o hidrodinamiki površinskega valovanja tekočine, ki jih bomo potrebovali v prihodnosti. Težavo lahko bistveno poenostavimo, če tekočino smatramo za idealno; upoštevanje disipacije je potrebno predvsem za kapilarne in kratke gravitacijski valovi.

Ob predpostavki, da so premiki tekočih delcev majhni, se lahko omejimo na linearni problem in zanemarimo nelinearni člen v Eulerjevi enačbi, ki ustreza majhnosti amplitude valovanja v primerjavi z njegovo dolžino X. Potem je za nestisljivo tekočino valovno gibanje na njegovi površini brez upoštevanja sil površinske napetosti je določeno s takim sistemom enačb za potencial ( Naj vas spomnimo, da:

Usmerjen navpično navzgor in ustreza nemoteni površini tekočine).

Za neomejeno površino tekočine, katere globina je bistveno večja od valovne dolžine, lahko iščemo rešitev problema v obliki ravnega nehomogenega valovanja, ki se širi v pozitivni smeri x in duši z globino:

kje je valovna frekvenca in valovno število, kje je fazna hitrost. Če nadomestimo to vrednost potenciala v enačbo (6.1) in ob upoštevanju, da so rešitve smiselne za , dobimo izraz za potencial:

in izpolnjevanje robnega pogoja na površini tekočine, disperzijske enačbe

Tako je skupinska hitrost širjenja gravitacijskega vala

medtem ko je fazna hitrost takega valovanja

Kot je razvidno, imajo gravitacijski valovi disperzijo; Z večanjem valovne dolžine se povečuje njihova fazna hitrost.

Zanimivo je vprašanje, kakšna je porazdelitev hitrosti tekočih delcev v valu; najdemo ga tako, da potencial (6.3) diferenciramo glede na x.

riž. 1.4. Disperzijska krivulja za gravitacijske kapilarne valove na površini globoke vode v območju, kjer sta pomembna tako g kot a.

Obravnava pokaže, da delci tekočine v valovanju opisujejo gibanje približno v krogu (okoli svojih ravnotežnih točk), katerega polmer se z globino eksponentno zmanjšuje. Na globini, ki je enaka eni valovni dolžini, je njegova amplituda približno 535-krat manjša kot pri površini. Predstavljeni rezultati veljajo za valove v globoki vodi, kjer je h globina tekočine. Če pride do nasprotnega primera (na primer, valovi se širijo v kanalu končne, a majhne globine), potem

Kot lahko vidite, taki valovi nimajo disperzije.

Ob upoštevanju Laplaceove kapilarne sile zaradi površinske napetosti 0,

t.j., za razliko od gravitacijskih valov, hitrost kapilarnih valov narašča z zmanjševanjem valovne dolžine. Kombinirano delovanje gravitacije in površinske napetosti je določeno z naslednjo disperzijsko enačbo (globoka voda):

Na sl. Slika 1.4 prikazuje odvisnost fazne hitrosti širjenja valov na površini tekočine od valovne dolžine za vodo po izrazu (6.9). Iz te slike je razvidno, da je pri cm najmanjša hitrost površinskih valov, ki so mešani gravitacijsko-kapilarni valovi.

Predstavljeni rezultati so bili za enodimenzionalne linearne valove brez disipacije. Poleg tega je veljalo, da so valovi pravilni in se širijo v eno smer. Valovi, ki nastanejo, ko se ladja premika v mirni vodi ali ko se približuje plitvi obali, resnično predstavljajo

redne motnje. Valovi na površini tekočine, ki nastanejo pod vplivom vetra, so pretežno naključni - gibljejo se v različnih smereh in imajo različne frekvence in amplitude; Prav takšno sliko vidimo, ko smo na ladji na odprtem morju v vetrovnem vremenu.

Slabljenje gravitacijskih valov z valovno dolžino, daljšo od metra, je sicer majhno, a še vedno bistveno večje, kot izhaja iz linearne teorije. To neskladje očitno povzročajo procesi, povezani z nelinearnostjo pri širjenju gravitacijskih in kapilarnih valov. Torej, če se en sam val širi v plitvi vodi s fazno hitrostjo, potem tak val nima disperzije. Ko se širi, postane njegov profil strmejši zaradi dejstva, da se bodo zgornji delci medija, pri katerih je globina h večja kot pri spodnjih delcih, v skladu z (6.7) gibali z večjo hitrostjo in val se bo začel biti preobremenjen; ko se približa obali, se nanj zalije val. Učinek pometanja se poveča tudi zato, ker se z zmanjšanjem globine h poveča amplituda valovanja v skladu z zakonom o ohranitvi energijskega kanala; gostota energije se poveča zaradi zmanjšanja preseka vodne plasti. Z rastjo postanejo nelinearni učinki še močnejši. Proces "strmljenja" valov med njihovim širjenjem se pojavi tudi v globoki vodi zaradi nelinearnosti enačb gibanja. Teorija nelinearnih valov na površini tekočine je v zadnjem času dobila velik razvoj, čeprav je bilo prvo delo v tej smeri opravljeno konec prejšnjega stoletja.

Če je valov več, med seboj delujejo nelinearno; Načelo superpozicije za valove končne amplitude ni več upoštevano. Pogoji za nelinearno interakcijo gravitacijskih valov imajo zaradi svojih disperzivnih lastnosti zanimive lastnosti, na katere se tu nimamo možnosti osredotočati. Opozarjamo le, da dejansko obstoječa interakcija naključnih valov končne amplitude načeloma pojasnjuje veliko večje slabljenje valov na površini, kot je predvideno linearna teorija. Mehanizem absorpcije deluje zaradi nelinearne interakcije; energija iz območja majhnih valovnih števil (dolgi valovi) se črpa v področje vse krajših valovnih dolžin in nazadnje v kapilarno področje spektra, kjer se na koncu zaradi viskoznosti razprši in spremeni v toploto.

V pogl. 3 se bomo ukvarjali z nelinearnimi zvočnimi valovi in ​​se vrnili k vprašanjem interakcije valov na površini tekočine.

OPREDELITEV

Tekoči valovi se imenujejo valovi, ki prenašajo energijo v prostoru. Prenos energije v valovanju je kvantitativno označen z vektorjem gostote energijskega toka. Ta vektor se imenuje vektor pretoka. (Za elastične valove – Umov vektor).

Teorija o enačbi potujočega vala

Ko govorimo o gibanju telesa, mislimo na gibanje samega telesa v prostoru. Pri valovnem gibanju ne govorimo o gibanju medija ali polja, temveč o gibanju vzbujenega stanja medija ali polja. V valu se določeno stanje, sprva lokalizirano na enem mestu v prostoru, prenese (premakne) na druge, sosednje točke v prostoru.

Stanje okolja ali polja na določeni točki v prostoru je označeno z enim ali več parametri. Takšni parametri so na primer pri valu, ki nastane na struni, odstopanje določenega odseka strune od ravnotežnega položaja (x), pri zvočnem valu v zraku pa je to količina, ki označuje stiskanje ali raztezanje , v so moduli vektorjev in . Najpomembnejši koncept za vsak val je faza. Faza se nanaša na stanje valovanja na dani točki in v danem času, ki ga opisujejo ustrezni parametri. Na primer, faza elektromagnetnega valovanja je podana z moduli vektorjev in . Faza se spreminja od točke do točke. Tako je faza valovanja v matematičnem smislu funkcija koordinat in časa. Pojem valovne površine je povezan s pojmom faze. To je površina, katere vse točke so v danem trenutku v isti fazi, tj. to je površina konstantne faze.

Koncepti valovne površine in faze nam omogočajo, da izvedemo nekaj klasifikacije valov glede na naravo njihovega obnašanja v prostoru in času. Če se valovne površine gibljejo v prostoru (na primer navadni valovi na površini vode), se val imenuje potujoči val.

Potujoče valove lahko razdelimo na: in cilindrične.

Enačba potujočega ravninskega vala

V eksponentni obliki je sferična valovna enačba:

kje – kompleksna amplituda. Povsod, razen v singularni točki r=0, funkcija x zadošča valovni enačbi.

Cilindrična enačba potujočega vala:

kjer je r razdalja od osi.

kje – kompleksna amplituda.

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

telovadba	Ravno nedušeno zvočno valovanje vzbuja vir nihanja izvorne frekvence a. Zapišite enačbo nihanja vira x(0,t), če je v začetnem trenutku premik točk vira največji.
rešitev	Zapišimo enačbo potujočega vala, pri čemer vemo, da je ravninski: V enačbi uporabimo w=, zapišemo (1.1) v začetni časovni trenutek (t=0): Iz pogojev problema je znano, da je v začetnem trenutku premik izvornih točk največji. Zato,. Dobimo: , od tu na točki, kjer se nahaja vir (tj. pri r=0).

Če vzbujamo vibracije njegovih delcev kjer koli v elastičnem (trdnem, tekočem ali plinastem) mediju, potem se bo zaradi interakcije med delci ta vibracija širila v mediju od delca do delca z določeno hitrostjo. v. Proces širjenja nihanja v prostoru se imenuje val.

Mehansko valovanje je proces širjenja vibracij v elastičnem mediju, ki ga spremlja prenos energije vibrirajočega telesa iz ene točke elastičnega medija v drugo.

Delci medija, v katerem se širi elastično valovanje, se ne vlečejo v translacijsko gibanje, ampak le nihajo okoli svojih ravnotežnih položajev. Glede na smer nihanja delcev glede na smer širjenja valov ločimo vzdolžne in prečne valove.

1. Valovanje imenujemo transverzalno, če delci medija vibrirajo v smereh, ki so pravokotne na smer širjenja valov.

(mahanje po vodni gladini, mahanje po vrvici).

2. Valovanje se imenuje vzdolžno, če se nihanje delcev medija pojavlja v smeri širjenja valovanja.

(zvočno valovanje, nihanje bata v cevi napolnjeni s plinom ali tekočino povzroči vzdolžno elastično valovanje).

Elastični prečni valovi lahko nastanejo le v mediju, ki ima strižno odpornost. Zato se lahko v tekočih in plinastih medijih pojavljajo le longitudinalni valovi. V trdnem mediju lahko nastanejo vzdolžni in prečni valovi.

Geometrična lokacija točk, do katerih segajo nihanja v trenutku t, poklical valovna fronta(oz valovna fronta).

Imenuje se geometrična lokacija točk, ki nihajo v isti fazi valovna površina. Valovno površino lahko narišemo skozi katero koli točko v prostoru, ki jo pokriva valovni proces. Posledično obstaja neskončno število valovnih površin, medtem ko je v vsakem trenutku samo ena valovna fronta. Valovite površine so lahko poljubne oblike. V najpreprostejših primerih imajo obliko ravnine ali krogle. V skladu s tem se val v teh primerih imenuje ravninski ali sferični.

Črta, ki je pravokotna na valovno površino, se imenuje žarek. Žarek označuje smer širjenja valov.

Razdalja, preko katerega se valovanje širi v času, ki je enak obdobju nihanja delcev medija, se imenuje valovna dolžina:

 v(m),

kje vhitrost valovanja, T – obdobje nihanja.

Valovno dolžino lahko definiramo tudi kot razdaljo med najbližjimi točkami medija, ki nihajo s fazno razliko, ki je enaka 2 .

Hitrost valovanja v .

Harmonično valovanje

Harmonično valovanje je linearno monokromatsko valovanje, ki se širi v neskončnem dinamičnem sistemu. V porazdeljenih sistemih splošni pogled val je podan z enačbo:

kje A– določeno konstantno amplitudo valovnega procesa, ki jo določajo parametri sistema, frekvenca nihanj in amplituda moteče sile; š = 2p/ T= 2pn – krožna frekvenca valovnega procesa, T– perioda harmoničnega vala, n – frekvenca; k= 2p/l = w/ z– valovno število, l – valovna dolžina, – hitrost širjenja valov; – začetna faza valovnega procesa, ki jo v harmoničnem valu določa pravilnost vpliva zunanje motnje. Fazna hitrost tega vala je podana z

Potujoči val

Potujoči val– valovanje, ki pri širjenju skozi medij prenaša energijo (v nasprotju s stoječim valovanjem). Primeri: elastično valovanje v palici, stolpec plina, tekočine, elektromagnetno valovanje vzdolž dolge črte, v valovodu.

Potujoče harmonično valovanje je poseben primer mirujočih potujočih valov; to je najenostavnejše valovno gibanje.

zvok

Nihanja v okolju, ki jih zaznava organ sluha, imenujemo zvok.

zvok, v širšem smislu, so elastični valovi, ki se širijo v katerem koli elastičnem mediju in v njem ustvarjajo mehanske vibracije; v ožjem smislu subjektivno zaznavanje teh vibracij s posebnimi čutili živali ali človeka.

Veja fizike, ki se ukvarja s proučevanjem zvočnih pojavov, se imenuje akustika.

Zvočno valovanje je elastično longitudinalno valovanje, ki predstavlja cone stiskanja in redčenja elastičnega medija (zraka), ki se skozi čas prenaša na daljavo.

Zvočne valove delimo:

· slišen zvok – od 20 Hz (17 m) - do 20.000 Hz (17 mm);

· infrazvok – pod 20 Hz;

· ultrazvok – nad 20.000 Hz.

Hitrost zvoka je odvisna od elastičnih lastnosti medija in temperature, na primer:

v zraku v= 331 m/s (pri t = 0 o C) in v= 3317 m/s (pri t = 1 0 C);

v vodi v= 1400 m/s;

v jeklu v=5000 m/s.

Zvok, ki ga proizvaja harmonično vibrirajoče telo, imenujemo glasbeni ton.

Vsakemu glasbenemu tonu (do, re, mi, fa, sol, la, si) ustreza določena dolžina in frekvenca zvočnega valovanja.

Hrup je kaotična mešanica tonov.

Motnje valov

Če se v mediju širi več valov, se izkaže, da so nihanja delcev medija geometrična vsota nihanj, ki bi jih delci povzročili, če bi se vsak od valov širil ločeno. Valovi se prekrivajo drug na drugem,ne da bi motil(ne da bi drug drugega izkrivljali). To je to princip valovne superpozicije.

Če imata dva vala, ki prihajata na katero koli točko v prostoru, konstantno fazno razliko, se taka valovanja imenujejo skladen. Ko dodamo koherentne valove, a interferenčni pojav.

Motnje valov(iz latinščine inter - medsebojno, med seboj in ferio - udarim, udarim) - medsebojno ojačanje ali oslabitev amplitude dveh ali več koherentnih valov, ki se sočasno širijo v prostoru. Spremljajo ga izmenjujoči se maksimumi in minimumi (antinode) intenzivnosti v prostoru.

Rezultat motenj ( interferenčni vzorec) je odvisna od fazne razlike med superponiranimi valovi. Med interferenco se energija valov prerazporedi v prostoru. To ni v nasprotju z zakonom o ohranitvi energije, ker je v povprečju za veliko področje prostora energija nastalega valovanja enaka vsoti energij motečih valov.

Predpogoji za opazovanje motenj:

1) valovi morajo imeti enake (ali blizu) frekvence, tako da se slika, ki izhaja iz superpozicije valov, s časom ne spreminja (ali se ne spreminja zelo hitro, da jo je mogoče pravočasno zabeležiti);

2) valovi morajo biti enosmerni (ali imeti podobno smer); dva pravokotna vala ne bosta nikoli motila (poskusite dodati dva pravokotna sinusna vala!). Z drugimi besedami, valovi, ki se dodajajo, morajo imeti enake valovne vektorje (ali tesno usmerjene).

Prvi pogoj se včasih imenuje časovna skladnost,
drugič – prostorska koherentnost.

Interferenca je značilna za valove katere koli narave.

Zelo pomemben primer interference opazimo, ko se dva nasprotno širijoča ​​ravninska vala z enako amplitudo superponirajo. Nastali nihajni proces se imenuje stoječi val . Skoraj stoječi valovi nastanejo, ko se odbijejo od ovir.

Interferenca valov na površini vode:

Stoječi valovi

Zelo pomemben primer interference opazimo, ko se dva nasprotno širijoča ​​ravninska vala z enako amplitudo superponirajo. Praktično stoječi valovi nastanejo, ko se valovi odbijajo od ovir. Val, ki pada na oviro, in odbiti val, ki teče proti njej, se prekrivata drug na drugega, dajeta stoječi val.

Stojni val je poseben primer potujočega vala z .

To sta dva enaka periodična potujoča vala (v okviru veljavnosti principa superpozicije), ki se širita v nasprotne smeri, tvorijo stoječi val.

Ko v mediju obstaja stoječe valovanje, obstajajo točke, kjer je amplituda nihanj enaka nič. Te točke se imenujejo vozlišča stoječi val. Točke, v katerih imajo nihanja največjo amplitudo, imenujemo antinode.

2. Mehanski val.

3. Vir mehanskih valov.

4. Točkovni vir valovanja.

5. Prečni val.

6. Longitudinalni val.

7. Valovita sprednja stran.

9. Periodični valovi.

10. Harmonično valovanje.

11. Valovna dolžina.

12. Hitrost širjenja.

13. Odvisnost hitrosti valovanja od lastnosti medija.

14. Huygensovo načelo.

15. Odboj in lom valov.

16. Zakon odboja valov.

17. Zakon o lomu valov.

18. Enačba ravnih valov.

19. Energija in intenzivnost valovanja.

20. Načelo superpozicije.

21. Koherentna nihanja.

22. Koherentni valovi.

23. Interferenca valov. a) pogoj maksimalne motnje, b) pogoj minimalne motnje.

24. Interferenca in zakon o ohranitvi energije.

25. Uklon valov.

26. Huygens–Fresnelov princip.

27. Polarizirano valovanje.

29. Glasnost zvoka.

30. Višina zvoka.

31. Zvočni ton.

32. Ultrazvok.

33. Infrazvok.

34. Dopplerjev učinek.

1.val - To je proces širjenja vibracij katere koli fizične količine v prostoru. Na primer, zvočni valovi v plinih ali tekočinah predstavljajo širjenje nihanj tlaka in gostote v teh medijih. Elektromagnetno valovanje je proces širjenja nihanj jakosti električnih magnetnih polj v prostoru.

Energija in gibalna količina se lahko v prostoru prenašata s prenosom snovi. Vsako gibljivo telo ima kinetično energijo. Zato se prenaša kinetična energija, prenos snovi. Isto telo, ki se segreje, premika v prostoru, prenaša toplotno energijo, prenaša snov.

Delci elastičnega medija so med seboj povezani. Motnje, tj. odstopanja od ravnotežne lege enega delca se prenašajo na sosednje delce, tj. energija in gibalna količina se prenašata z enega delca na sosednje delce, medtem ko vsak delec ostane blizu svojega ravnotežnega položaja. Tako se energija in gibalna količina prenašata po verigi od enega delca do drugega in ne pride do prenosa snovi.

Valovni proces je torej proces prenosa energije in gibalne količine v prostoru brez prenosa snovi.

2. Mehanski val ali elastični val– motnja (nihanje), ki se širi v elastičnem mediju. Prožni medij, v katerem se širijo mehanska valovanja, so zrak, voda, les, kovine in druge prožne snovi. Elastične valove imenujemo zvočni valovi.

3. Vir mehanskih valov- telo, ki izvaja nihajno gibanje v elastičnem mediju, na primer vibrirajoče vilice, strune, glasilke.

4. Izvor točkovnih valov – valovni vir, katerega velikost lahko zanemarimo v primerjavi z razdaljo, ki jo val prepotuje.

5. Prečni val – valovanje, pri katerem delci medija nihajo v smeri, ki je pravokotna na smer širjenja valovanja. Na primer, valovi na površini vode so prečni valovi, ker nihanje delcev vode poteka v smeri, ki je pravokotna na smer vodne gladine, valovanje pa se širi po gladini vode. Prečni val se širi po vrvici, katere en konec je pritrjen, drugi pa niha v navpični ravnini.

Transverzalno valovanje se lahko širi le vzdolž meje med različnimi mediji.

6. Longitudinalni val – valovanje, pri katerem prihaja do nihanja v smeri širjenja valovanja. Vzdolžni val se pojavi v dolgi vijačni vzmeti, če je en konec izpostavljen periodičnim motnjam, usmerjenim vzdolž vzmeti. Elastični val, ki teče vzdolž vzmeti, predstavlja razširjajoče se zaporedje stiskanja in raztezanja (slika 88).

Vzdolžni val se lahko širi samo znotraj elastičnega medija, na primer v zraku, v vodi. IN trdne snovi in v tekočinah se lahko prečni in vzdolžni valovi širijo hkrati, ker trdna snov in tekočina sta vedno omejeni s površino – mejo med dvema medijema. Na primer, če jekleno palico udarimo na koncu s kladivom, se bo v njej začela širiti elastična deformacija. Po površini palice bo potekalo prečno valovanje, znotraj nje pa se bo širilo vzdolžno valovanje (stiskanje in redčenje medija) (slika 89).

7. Valovna fronta (valovna površina)– geometrijsko mesto točk, ki nihajo v enakih fazah. Na valovni površini imajo faze nihajnih točk v obravnavanem trenutku enake vrednosti. Če vržete kamen v mirno jezero, se bodo od mesta padca po površini jezera začeli širiti prečni valovi v obliki kroga, s središčem na mestu padca kamna. V tem primeru je valovna fronta krog.

IN sferični val valovna fronta je krogla. Takšne valove ustvarjajo točkasti viri.

Na zelo velikih razdaljah od vira lahko ukrivljenost fronte zanemarimo in valovno fronto lahko štejemo za ravno. V tem primeru se val imenuje ravnina.

8. Žarek – ravnočrta, normalna na površino valov. Pri sferičnem valovanju so žarki usmerjeni vzdolž polmerov krogel iz središča, kjer se nahaja izvor valovanja (slika 90).

V ravninskem valu so žarki usmerjeni pravokotno na sprednjo površino (slika 91).

9. Periodični valovi. Ko smo govorili o valovanju, smo mislili na eno samo motnjo, ki se širi v prostoru.

Če vir valovanja neprekinjeno niha, se v mediju pojavijo prožni valovi, ki potujejo drug za drugim. Takšni valovi se imenujejo periodični.

10. Harmonično valovanje– valovanje, ki ga ustvarjajo harmonična nihanja. Če valovni vir naredi harmonične vibracije, potem generira harmonične valove - valove, v katerih delci vibrirajo po harmoničnem zakonu.

11. Valovna dolžina. Naj se harmonično valovanje širi vzdolž osi OX, nihanje v njem pa se dogaja v smeri osi OY. Ta val je transverzalni in ga lahko prikažemo kot sinusni val (slika 92).

Takšno valovanje je mogoče doseči s povzročanjem tresljajev v navpični ravnini prostega konca vrvice.

Valovna dolžina je razdalja med dvema najbližjima točkama A in B, ki nihajo v enakih fazah (slika 92).

12. Hitrost širjenja valov– fizikalna količina, ki je številčno enaka hitrosti širjenja nihanja v prostoru. Iz sl. 92 sledi, da je čas, v katerem se nihanje širi od točke do točke A do točke IN, tj. na daljavo je valovna dolžina enaka nihajni periodi. Zato je hitrost širjenja valov enaka

13. Odvisnost hitrosti širjenja valov od lastnosti medija. Frekvenca nihanj ob pojavu valovanja je odvisna samo od lastnosti vira valovanja in ni odvisna od lastnosti medija. Hitrost širjenja valov je odvisna od lastnosti medija. Zato se valovna dolžina spremeni pri prečkanju vmesnika med dvema različnima medijema. Hitrost valovanja je odvisna od povezave med atomi in molekulami medija. Vez med atomi in molekulami v tekočinah in trdnih snoveh je veliko tesnejša kot v plinih. Zato je hitrost zvočnega valovanja v tekočinah in trdnih snoveh veliko večja kot v plinih. V zraku je hitrost zvoka pri normalnih pogojih 340, v vodi 1500 in v jeklu 6000.

Povprečna hitrost toplotnega gibanja molekul v plinih se z nižanjem temperature zmanjšuje in posledično se zmanjšuje hitrost širjenja valov v plinih. V gostejšem in zato bolj inertnem mediju je hitrost valovanja manjša. Če zvok potuje po zraku, je njegova hitrost odvisna od gostote zraka. Kjer je gostota zraka večja, je hitrost zvoka manjša. In obratno, kjer je gostota zraka manjša, je hitrost zvoka večja. Posledično se pri širjenju zvoka valovna fronta popači. Nad močvirjem ali nad jezerom je zlasti zvečer gostota zraka ob površju zaradi vodne pare večja kot na določeni višini. Zato je hitrost zvoka blizu površine vode manjša kot na določeni višini. Zaradi tega se valovna fronta obrača tako, da se zgornji del fronte vedno bolj upogiba proti gladini jezera. Izkazalo se je, da se energija vala, ki potuje po gladini jezera, in energija vala, ki potuje pod kotom na gladino jezera, seštevata. Zato zvečer zvok dobro potuje po jezeru. Celo tihi pogovor se sliši stoje na nasprotnem bregu.

14. Huygensovo načelo– vsaka točka na površini, ki jo val v danem trenutku doseže, je vir sekundarnih valov. Če potegnemo površino tangento na fronte vseh sekundarnih valov, dobimo fronto valov v naslednjem trenutku.

Vzemimo na primer val, ki se širi po površini vode iz točke O(Sl.93) Naj v trenutku časa t sprednji del je imel obliko kroga polmera R s središčem v točki O. V naslednjem časovnem trenutku bo vsak sekundarni val imel fronto v obliki kroga polmera, kjer V– hitrost širjenja valov. Če narišemo površino, tangentno na fronte sekundarnih valov, dobimo fronto valov v trenutku (slika 93)

Če se valovanje širi v neprekinjenem mediju, je valovna fronta krogla.

15. Odboj in lom valov. Ko val pade na mejo med dvema različnima medijema, vsaka točka te površine po Huygensovem principu postane vir sekundarnih valov, ki se širijo na obeh straneh površine. Zato se pri prečkanju vmesnika med dvema medijema val delno odbija in delno prehaja skozi to površino. Ker Ker so mediji različni, je tudi hitrost valovanja v njih različna. Zato se pri prečkanju vmesnika med dvema medijema spremeni smer širjenja valovanja, tj. pride do loma valov. Oglejmo si na podlagi Huygensovega principa proces in zakone odboja in loma.

16. Zakon odboja valov. Naj ravninski val pade na ravno mejo med dvema različnima medijema. Izberimo območje med obema žarkoma in (slika 94)

Vpadni kot - kot med vpadnim žarkom in navpičnico na vmesnik na vpadni točki.

Odbojni kot je kot med odbitim žarkom in navpičnico na mejno površino na vpadni točki.

V trenutku, ko žarek doseže vmesnik v točki , bo ta točka postala vir sekundarnih valov. Valovna fronta je v tem trenutku označena z ravnim segmentom AC(Slika 94). Posledično mora v tem trenutku žarek še prepotovati pot do vmesnika SV. Naj žarek potuje po tej poti v času. Vpadni in odbiti žarek se širita na eni strani vmesnika, zato sta njuni hitrosti enaki in enaki V. Potem.

Med časom sekundarni val od točke A bo šel po poti. Zato . Pravokotni trikotnik in sta enaka, ker - skupna hipotenuza in noge. Iz enakosti trikotnikov sledi enakost kotov. Ampak tudi, tj. .

Zdaj pa oblikujmo zakon odboja valov: vpadni žarek, odbiti žarek , pravokotna na vmesnik med dvema medijema, obnovljena na vpadni točki, ležita v isti ravnini; vpadni kot enak kotu razmišljanja.

17. Zakon loma valov. Naj gre ravninski val skozi ravno mejo med dvema medijema. Poleg tega vpadni kot je različen od nič (slika 95).

Lomni kot - kot med lomljenim žarkom in pravokotno na mejo, obnovljen na vpadni točki.

Označimo še hitrost širjenja valov v medijih 1 in 2. V trenutku, ko žarek doseže mejno mesto v točki A, bo ta točka postala vir valovanja, ki se širi v drugem mediju - žarku, žarek pa mora še prepotovati svojo pot do površine površine. Naj bo čas, v katerem žarek potuje NE, Potem. V istem času bo v drugem mediju žarek prepotoval pot . Ker , nato in .

Trikotniki in pravokotniki s skupno hipotenuzo in = so kot koti z medsebojno pravokotnimi stranicami. Za kote in zapišemo naslednje enakosti

Glede na to, , dobimo

Sedaj pa oblikujmo zakon loma valov: Vpadni žarek, lomljeni žarek in pravokotnica na mejo med obema medijema, obnovljena na vpadni točki, ležijo v isti ravnini; razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je konstantna vrednost za dva podana medija in se imenuje relativni lomni količnik za dva podana medija.

18. Enačba ravnih valov. Delci medija, ki se nahajajo na daljavo S od vira valov začnejo nihati šele, ko ga val doseže. če V je hitrost širjenja valov, potem se bodo nihanja začela s časovnim zamikom

Če vir valov niha po harmoničnem zakonu, potem za delec, ki se nahaja na daljavo S iz vira zapišemo zakon o nihanju v obliki

Predstavimo količino, ki jo imenujemo valovno število. Prikazuje, koliko valovnih dolžin se prilega razdalji, ki je enaka dolžinskim enotam. Zdaj zakon o nihanju delca medija, ki se nahaja na daljavo S iz vira bomo zapisali v obrazec

Ta enačba določa premik nihajne točke kot funkcijo časa in razdalje od vira valov in se imenuje enačba ravnih valov.

19. Energija in intenzivnost valovanja. Vsak delec, ki ga doseže val, vibrira in ima zato energijo. Naj se v določenem volumnu elastičnega medija širi val z amplitudo A in ciklično frekvenco. To pomeni, da je povprečna energija nihanja v tej prostornini enaka

kje m – maso dodeljenega volumna medija.

Povprečna energijska gostota (povprečje glede na prostornino) je energija valovanja na prostorninsko enoto medija

Kje je gostota medija.

Intenzivnost valovanja– fizikalna količina, numerično enako energiji, ki ga valovanje prenese na enoto časa skozi enoto površine ravnine, pravokotne na smer širjenja valovanja (skozi enoto površine valovne fronte), tj.

Povprečna valovna moč je povprečna skupna energija, ki jo val prenese na enoto časa skozi površino s površino S. Povprečno moč valovanja dobimo tako, da intenzivnost valovanja pomnožimo s površino S

20.Načelo superpozicije (prekrivanja).Če se valovi iz dveh ali več virov širijo v elastičnem mediju, potem, kot kažejo opazovanja, valovi prehajajo drug skozi drugega, ne da bi sploh vplivali drug na drugega. Z drugimi besedami, valovi med seboj ne delujejo. To je razloženo z dejstvom, da v mejah elastične deformacije stiskanje in napetost v eni smeri nikakor ne vplivata na elastične lastnosti v drugih smereh.

Tako je vsaka točka v mediju, kjer prideta dva ali več valov, udeležena pri nihanju, ki ga povzroči posamezno valovanje. V tem primeru je nastali premik delca medija kadar koli enak geometrijski vsoti premikov, ki jih povzroči vsak od nastalih oscilacijskih procesov. To je bistvo principa superpozicije ali superpozicije vibracij.

Rezultat seštevanja nihanj je odvisen od amplitude, frekvence in fazne razlike nastalih nihajnih procesov.

21. Koherentna nihanja – nihanja z enako frekvenco in konstantno fazno razliko skozi čas.

22.Koherentni valovi– valovanje enake frekvence ali enake valovne dolžine, katerih fazna razlika v dani točki prostora ostaja v času konstantna.

23.Motnje valov– pojav povečanja ali zmanjšanja amplitude nastalega valovanja, ko sta dva ali več koherentnih valov superponirana.

A) . Maksimalni pogoji motenj. Naj se valovi iz dveh koherentnih virov srečajo v točki A(Slika 96).

Premiki srednjih delcev v točki A, ki jih povzroča vsak val posebej, bomo zapisali po valovni enačbi v obliki

Kjer so in , , amplitude in faze nihanj, ki jih povzročajo valovi v točki A, in sta razdalji točke, je razlika med temi razdaljami ali razlika v valovnih poteh.

Zaradi razlike v poteku valov drugi val zamuja v primerjavi s prvim. To pomeni, da je faza nihanja v prvem valu pred fazo nihanja v drugem valu, tj. . Njihova fazna razlika skozi čas ostaja konstantna.

Da bi prišli do bistva A delci nihajo z največjo amplitudo, morajo vrhovi obeh valov ali njuna dna doseči točko A hkrati v istih fazah ali s fazno razliko, ki je enaka , kjer je n – celo število in - je obdobje funkcij sinusa in kosinusa,

Tukaj torej zapišemo pogoj interferenčnega maksimuma v obliki

Kje je celo število.

Torej, ko so koherentni valovi superponirani, je amplituda nastalega nihanja največja, če je razlika v valovnih poteh enaka celemu številu valovnih dolžin.

b) Pogoj minimalne motnje. Amplituda nastalega nihanja v točki A minimalen, če vrh in dno dveh koherentnih valov istočasno dosežeta to točko. To pomeni, da bo sto valov prišlo na to točko v protifazi, tj. njihova fazna razlika je enaka ali , kjer je celo število.

Minimalni pogoj interference dobimo z algebrskimi transformacijami:

Tako je amplituda nihanj, ko sta dva koherentna valovanja superponirana, minimalna, če je razlika v valovnih poteh enaka lihemu številu polvalov.

24. Interferenca in zakon o ohranitvi energije. Ko valovi interferirajo na mestih interferenčnih minimumov, je energija nastalih nihanj manjša od energije motečih valov. Toda na mestih interferenčnih maksimumov energija nastalih nihanj toliko presega vsoto energij motečih valov, da se je energija na mestih interferenčnih minimumov zmanjšala.

Pri interferenci valov se energija nihanja prerazporedi v prostoru, vendar se ohranitveni zakon strogo upošteva.

25.Uklon valov– pojav upogibanja vala okrog ovire, tj. odstopanje od premočrtnega širjenja valov.

Difrakcija je še posebej opazna, ko je velikost ovire manjša od valovne dolžine ali z njo primerljiva. Naj bo na poti širjenja ravninskega vala zaslon z luknjo, katere premer je primerljiv z valovno dolžino (slika 97).

Po Huygensovem principu postane vsaka točka luknje vir istih valov. Velikost luknje je tako majhna, da so vsi viri sekundarnih valov tako blizu drug drugemu, da jih je mogoče vse obravnavati kot eno točko - en vir sekundarnih valov.

Če je na poti vala postavljena ovira, katere velikost je primerljiva z valovno dolžino, postanejo robovi po Huygensovem principu vir sekundarnih valov. Toda velikost ovire je tako majhna, da se njeni robovi lahko štejejo za sovpadajoče, tj. sama ovira je točkovni vir sekundarnih valov (slika 97).

Pojav difrakcije zlahka opazimo, ko se valovi širijo po površini vode. Ko val doseže tanko, nepremično palico, postane vir valovanja (slika 99).

25. Huygens-Fresnelov princip.Če dimenzije luknje znatno presegajo valovno dolžino, se val, ki gre skozi luknjo, širi v ravni črti (slika 100).

Če velikost ovire znatno presega valovno dolžino, se za oviro oblikuje senčno območje (slika 101). Ti poskusi so v nasprotju s Huygensovim načelom. Francoski fizik Fresnel je dopolnil Huygensov princip z idejo o koherenci sekundarnih valov. Vsaka točka, do katere pride val, postane vir istih valov, tj. sekundarni koherentni valovi. Zato valov ni le na tistih mestih, kjer so za sekundarne valove izpolnjeni pogoji za interferenčni minimum.

26. Polariziran val– transverzalno valovanje, pri katerem vsi delci nihajo v isti ravnini. Če prosti konec vrvice niha v eni ravnini, se vzdolž vrvice širi ravno polariziran val. Če prosti konec vrvice niha v različnih smereh, potem val, ki se širi vzdolž vrvice, ni polariziran. Če na pot nepolariziranega vala postavimo oviro v obliki ozke reže, postane val po prehodu skozi režo polariziran, ker reža omogoča, da vibracije kabla prehajajo vzdolž nje.

Če na pot polariziranega vala postavimo drugo režo vzporedno s prvo, bo val prosto šel skozi njo (slika 102).

Če je druga reža postavljena pravokotno na prvo, se bo širjenje vola ustavilo. Naprava, ki izbere vibracije, ki se pojavljajo v določeni ravnini, se imenuje polarizator (prva reža). Naprava, ki določa ravnino polarizacije, se imenuje analizator.

27.zvok - To je proces širjenja stiskanja in redčenja v elastičnem mediju, na primer v plinu, tekočini ali kovinah. Širjenje stiskanja in redčenje nastane kot posledica trka molekul.

28. Glasnost zvoka To je sila zvočnega valovanja na bobnič človeškega ušesa, ki ga povzroča zvočni tlak.

Zvočni tlak – To je dodatni tlak, ki nastane v plinu ali tekočini, ko se zvočni val širi. Zvočni tlak je odvisen od amplitude nihanja vira zvoka. Če z rahlim udarcem zazvonimo vilice, dobimo enako glasnost. Če pa vilice za uglaševanje udarite močneje, se bo amplituda njenih vibracij povečala in zvok bo glasnejši. Tako je glasnost zvoka določena z amplitudo nihanja vira zvoka, tj. amplituda nihanj zvočnega tlaka.

29. Višina zvoka določena s frekvenco nihanj. Višja kot je frekvenca zvoka, višji je ton.

Zvočne vibracije, ki se pojavljajo po harmoničnem zakonu, zaznamo kot glasbeni ton. Običajno je zvok kompleksen zvok, ki je skupek vibracij s podobnimi frekvencami.

Osnovni ton kompleksnega zvoka je ton, ki ustreza najnižji frekvenci v množici frekvenc danega zvoka. Tone, ki ustrezajo drugim frekvencam kompleksnega zvoka, imenujemo prizvoki.

30. Zvočni ton. Zvoki z enakim osnovnim tonom se razlikujejo po tembru, ki je določen z nizom prizvokov.

Vsaka oseba ima svoj edinstven ton. Zato lahko vedno ločimo glas ene osebe od glasu druge osebe, tudi če so njihovi osnovni toni enaki.

31.Ultrazvok. Človeško uho zaznava zvoke, katerih frekvence segajo od 20 Hz do 20.000 Hz.

Zvoki s frekvencami nad 20.000 Hz se imenujejo ultrazvoki. Ultrazvok potuje v obliki ozkih žarkov in se uporablja pri sonarju in odkrivanju napak. Z ultrazvokom je mogoče določiti globino morskega dna in odkriti napake na različnih delih.

Na primer, če tirnica nima razpok, bo ultrazvok, ki ga oddaja en konec tirnice in se odbije od drugega konca, dal samo en odmev. Če so razpoke, se bo ultrazvok odbijal od razpok in instrumenti bodo zabeležili več odmevov. Ultrazvok se uporablja za odkrivanje podmornic in jat rib. Netopir se v prostoru premika s pomočjo ultrazvoka.

32. Infrazvok– zvok s frekvenco pod 20 Hz. Te zvoke zaznavajo nekatere živali. Njihov vir so pogosto nihanja zemeljska skorja ob potresih.

33. Dopplerjev učinek je odvisnost frekvence zaznanega valovanja od gibanja vira ali sprejemnika valovanja.

Naj čoln počiva na gladini jezera in valovi z določeno frekvenco udarjajo ob njegov bok. Če se čoln začne premikati v nasprotni smeri širjenja valov, se bo frekvenca valov, ki udarijo ob bok čolna, povečala. Poleg tega večja kot je hitrost čolna, večja je frekvenca valov, ki udarjajo ob bok. Nasprotno, ko se čoln premika v smeri širjenja valov, bo pogostost udarcev manjša. To sklepanje je mogoče zlahka razumeti iz sl. 103.

Večja kot je hitrost nasproti vozečega prometa, manj časa se porabi za premagovanje razdalje med dvema najbližjima grebenoma, tj. krajša je doba valovanja in večja je frekvenca valovanja glede na čoln.

Če opazovalec miruje, vendar se vir valov premika, potem je frekvenca valovanja, ki ga opazovalec zazna, odvisna od gibanja vira.

Naj čaplja hodi po plitvem jezeru proti opazovalcu. Vsakič, ko stopi z nogo v vodo, se s tega mesta v krogih širijo valovi. In vsakič, ko se razdalja med prvim in zadnjim valom zmanjša, tj. Večje število grebenov in vdolbin je položenih na krajši razdalji. Zato se pri mirujočem opazovalcu v smeri, proti kateri čaplja hodi, frekvenca poveča. In obratno, za mirujočega opazovalca, ki se nahaja na diametralno nasprotni točki na večji razdalji, je enako število vrhov in vdolbin. Zato se za tega opazovalca frekvenca zmanjša (slika 104).