Что вообще колеблется в волне
Волна — это перенос колебаний и энергии из точки в точку без переноса вещества. Сами частицы среды никуда не «улетают», они лишь колеблются около своего места, передавая движение соседям. Ключевой вопрос: в каком направлении колеблется частица по отношению к тому, куда бежит волна. Ответ делит все волны на два класса.
Поперечная волна
В поперечной волне частицы движутся перпендикулярно направлению распространения. Классический образ — встряхните натянутую верёвку: «горб» бежит вдоль верёвки слева направо, а каждая точка верёвки качается вверх–вниз, то есть поперёк.
- Волны на поверхности воды (приближённо).
- Волна на струне, верёвке, пружине при поперечном встряхивании.
- Электромагнитные волны, в том числе свет, радио, рентген — в них колеблются перпендикулярно друг другу и направлению движения векторы электрического и магнитного полей.
- Сейсмические S-волны в толще Земли.
Поперечные механические волны распространяются только там, где есть упругость на сдвиг — в твёрдых телах и на поверхности жидкости. В толще газа или жидкости поперечная механическая волна жить не может.
Продольная волна
В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения. Возникают чередующиеся сгущения (где частицы сошлись) и разрежения (где разошлись). Наглядная модель — пружина-«слинки»: толкните её вдоль оси, и по ней побежит зона сжатия.
- Звук в воздухе, воде и металлах — это продольная волна сжатий и разрежений. Скорость звука в воздухе ≈ 340 м/с, в воде ≈ 1500 м/с, в стали ≈ 5000 м/с.
- Ультразвук и инфразвук.
- Сейсмические P-волны — они быстрее S-волн и приходят первыми.
Продольная волна распространяется в любой среде — газе, жидкости, твёрдом теле, потому что любое вещество сопротивляется сжатию.
Поляризуется только поперечная волна
Это важнейшее следствие разницы. У поперечной волны есть свобода: колебание может идти вверх–вниз, влево–вправо или под любым углом в плоскости, перпендикулярной движению. Если оставить только одно направление колебаний — волна поляризована. Так работают поляризационные очки и фотофильтры: они пропускают свет с колебаниями в одной плоскости.
У продольной волны такой свободы нет — колебание всегда строго вдоль распространения, выбирать не из чего. Поэтому звук поляризовать нельзя, а свет — можно. Именно опыт с поляризацией света доказал, что свет — поперечная волна.
Связь скорости, длины волны и частоты одинакова для обоих типов: v = λ·ν. Тип волны на эту формулу не влияет.
Таблица сравнения
| Критерий | Продольная | Поперечная |
|---|---|---|
| Направление колебаний | Вдоль распространения (0°) | Поперёк распространения (90°) |
| Что образуется | Сгущения и разрежения | Гребни и впадины |
| Примеры | Звук, ультразвук, P-волны | Свет, ЭМ-волны, волна на верёвке, S-волны |
| В какой среде идёт | Газ, жидкость, твёрдое тело | Твёрдое тело и поверхность; ЭМ — даже в вакууме |
| Поляризация | Невозможна | Возможна |
Длина волны и частота — общее для обоих
И продольная, и поперечная волна описываются одними и теми же величинами: длина волны λ (расстояние между двумя соседними гребнями — или между соседними сгущениями), частота ν (сколько колебаний в секунду), амплитуда и скорость v. Для звука частота — это высота тона: чем выше ν, тем выше нота. Для света частота — это цвет. Тип волны на смысл этих величин не влияет, меняется только то, в каком направлении смещается частица.
Как запомнить
Продольная — «толкнул вдоль» (звук, пружина сжимается по оси). Поперечная — «качнул поперёк» (верёвка, свет, поляроид). Если волну можно «погасить очками» — она поперечная. Если она бежит сквозь воздух от динамика к уху — она продольная. И помните главное следствие: поляризовать можно только поперечную волну, и именно поляризация света доказала его поперечную природу.
