У курсі фізики 7 класу ви вивчали механічні коливання. Часто буває так, що, виникнувши в одному місці, коливання поширюються в сусідні ділянки простору. Згадайте, наприклад, поширення коливань від кинутого у воду камінця або коливання земної кори, які поширюються від епіцентру землетрусу. У таких випадках говорять про хвильовий рух — хвилі.
Механічною хвилею називають поширення коливань у пружному середовищі*.
* Середовище називають пружним, якщо під час його деформації виникають сили, які протидіють цій деформації, — сили пружності.
На перший погляд, усі механічні хвилі є зовсім різними, але причини їх виникнення та поширення — однакові.
Будь-яка механічна хвиля створюється тілом, яке коливається, — джерелом хвилі. Здійснюючи коливальний рух, джерело хвилі деформує прилеглі до нього шари середовища (стискає та розтягує їх або зсовує). У результаті виникають сили пружності, які діють на сусідні шари середовища та спонукають їх здійснювати вимушені коливання. Ці шари, у свою чергу, деформують наступні шари та змушують їх коливатися. Поступово, один за одним, усі шари середовища долучаються до коливального руху — середовищем поширюється механічна хвиля.
Більшість механічних хвиль є невидимими, наприклад звукові хвилі.
Якщо порівняти поперечні та поздовжні хвилі, можна побачити певну різницю.
Окремі шари середовища рухаються (коливаються) перпендикулярно до напрямку поширення хвилі (частини рухаються вниз-вгору). Такі хвилі називають поперечними.
У ході поширення поперечних хвиль відбувається зсув одних шарів середовища відносно інших. Деформація зсуву супроводжується виникненням сил пружності лише в твердих тілах, тому поперечні хвилі не можуть поширюватися в рідинах і газах. Отже, поперечні хвилі поширюються тільки в твердих тілах.
Окремі шари середовища рухаються (коливаються) вздовж напрямку поширення хвилі. Такі хвилі називають поздовжніми.
У ході поширення поздовжніх хвиль у середовищі відбуваються деформації стиснення та розтягнення (вздовж напрямку поширення хвилі густина середовища почергово то збільшується, то зменшується). Такі деформації в будь-якому середовищі супроводжуються виникненням сил пружності. Тому поздовжні хвилі поширюються і в твердих тілах, і в рідинах, і в газах.
Перенесення енергії без перенесення речовини є найважливішою властивістю будь-якої хвилі.
Хвиля — це поширення коливань. Тому фізичні величини, які характеризують коливання (частота, період, амплітуда), також характеризують і хвилю. Отже, згадаємо 7 клас:
Зверніть увагу! Під час поширення механічної хвилі всі частини середовища, в якому поширюється хвиля, коливаються з однаковою частотою (ν), що дорівнює частоті коливань джерела хвилі, тому період коливань (Т) для всіх точок середовища теж є однаковим, адже Т = 1/ν. А от амплітуда коливань поступово зменшується з віддаленням від джерела хвилі.
Згадайте поширення хвилі мотузкою. Нехай кінець мотузки здійснив одне повне коливання, тобто час поширення хвилі дорівнює одному періоду (t = T). За цей час хвиля пошириться на певну відстань λ. Цю відстань називають довжиною хвилі.
Довжина хвилі λ — відстань, на яку по ширюється хвиля за час, що дорівнює періоду Т:
де v — швидкість поширення хвилі.
Одиниця довжини хвилі в СІ — метр:
Скориставшись формулою λ = vT, можна визначити швидкість поширення хвилі: v = λ/T. Ураховуючи, що 1/T = ν, отримаємо формулу взаємозв’язку довжини, частоти та швидкості поширення хвилі — формулу хвилі:
Якщо хвиля переходить з одного середовища в інше, швидкість її поширення змінюється; частота хвилі визначається джерелом хвилі, тому залишається незмінною. Таким чином, відповідно до формули v = λν у разі переходу хвилі з одного середовища в інше довжина хвилі змінюється.