Наиболее частым видом механических волн в жизни человека являются звуковые волны. Рассмотрим кратко их особенности, а также механизм образования и распространения.
Возникают силы, которые, во-первых, деформируют более далекие области кристалла, а во-вторых, стремятся вернуть деформированные области к исходному состоянию.
Исходная область возвращается в состояние равновесия, однако, при этом приобретает некоторую скорость и кинетическую энергию. В результате атомы кристалла проходят некоторое расстояние дальше точки равновесия, пока снова не возникнут силы, направленные обратно.
Таким образом, атомы области, в которую был нанесен удар, начинают колебаться. Более далекие области кристалла испытывают воздействие, и также приходят в колебательное движение с некоторой задержкой, и, в свою очередь, передают колебания дальше. В среде возникает упругая волна сжатий и растяжений, распространяющаяся с некоторой скоростью, которая имеет все характеристики, присущие волновым процессам, и описывается теми же формулами.
Такая волна называется звуковой волной или просто звуком.
Звуковые волны в воздухе и в других средах
Чаще всего, когда речь идет о звуке, имеются ввиду звуковые волны в воздухе. Примерами звуковых волн могут являться звуки грома, шум листьев, наш голос – любой звук, который мы можем слышать – является звуковой волной.
Однако, звук может распространяться не только по воздуху, но и по любой среде, в которой есть силы упругости. И скорость его распространения зависит от величины этих сил.
Для газов силы упругости возникают из-за локальных колебаний давления. Для кристаллов силами упругости являются межмолекулярные взаимодействия. Поскольку силы, возникающие во втором случае, гораздо больше, то и передача колебаний в кристалле происходит с гораздо большей скоростью, чем в воздухе. В жидкостях силы упругости имеют обе описанных составляющих, поэтому скорость звука в них больше, чем в газах, но меньше, чем в кристаллах.
Интересное явление происходит на границе разделения двух сред с различными упругостями. Из-за разности упругих свойств на границе передача колебаний происходит не полностью. Часть колебаний передается дальше, а часть – возвращается в среду, и начинает движение в обратном направлении. В среде возникает волна, имеющие характеристики, близкие к исходной, но имеющая более низкую мощность, и движущаяся в обратном направлении – эхо.
Особенности звуковых волн
Из представленного описания можно отметить следующие особенности звуковых волн.
- Звук – это упругие колебания среды, распространяющиеся с некоторой скоростью.
- Звук не может распространяться в отсутствие упругой среды. Вакуум не проводит звук.
- Скорость звука тем выше, чем более упруга среда. Наименьшая скорость звука в разреженных газах при низкой температуре. Наибольшая скорость звука в кристаллах с высокой упругостью (металлы, стекло).
- Звуковые колебания представляют собой продольную волну.
- Звуковые волны могут отражаться от границы сред, и возвращаться в виде эха.
Скорость звука в воздухе составляет около 300 метров в секунду. Это позволяет примерно оценить расстояние до удаленных источников, например, по задержке между молнией и громом можно оценить расстояние до молнии.
Что мы узнали?
Звуковые волны – это механические колебания, распространяющиеся в упругой среде. Звуковые волны представляют собой продольную волну. В различных средах скорость звуковых волн различна.
