Что такое волна?

Вдали от берега чайка поднимается и опускается с каждой проходящей волной, но не движется вместе с ней.

Возмущение, которое распространяется

Брось камень в тихий пруд, и по поверхности разойдутся круги. Дёрни гитарную струну, и её очертания размоются от колебаний. Крикни через поле, и чуть позже тебя услышат. Во всех трёх случаях возникают волны. В OpenStax College Physics дано краткое определение: волна представляет собой возмущение, которое распространяется, то есть удаляется от места возникновения. В пруду меняется форма поверхности воды. В воздухе меняется давление. На струне распространяется поперечный изгиб.

Главное слово здесь «возмущение». Форма движется, а вещество в основном остаётся на месте. Чайка в открытом море поднимается, когда приходит гребень, и опускается, когда проходит впадина. После прохождения волны она находится примерно там же, где была. OpenStax отмечает: вдали от берега частицы воды движутся по небольшим окружностям и остаются в одной области, а энергия уходит дальше. Если волна толкает тебя на глубине, ты ощущаешь передачу энергии, а не поток воды, проносящийся мимо.

Части простой волны. Оранжевая точка отмечает гребень (верхнюю точку), фиолетовая отмечает впадину (нижнюю точку). Длина волны λ равна расстоянию между соседними гребнями. Амплитуда A равна высоте гребня над горизонтальной линией.

Гребень, впадина, длина волны и амплитуда

У простой периодической волны верхние точки называют гребнями, а нижние впадинами. Расстояние от одного гребня до следующего вдоль направления распространения называют длиной волны и обозначают греческой буквой λ (лямбда). Амплитуда показывает, насколько далеко среда отклоняется от положения равновесия. Она равна высоте гребня над горизонтальной линией или половине расстояния от гребня до впадины. OpenStax подчёркивает, что амплитуда совершенно не зависит от скорости распространения. Большая и маленькая волны на одной верёвке движутся с одинаковой скоростью.

Два направления колебаний

Волны делят на два основных вида по направлению колебаний относительно направления распространения. В поперечной волне среда движется перпендикулярно направлению волны. Резко качни конец верёвки, привязанной к столбу: по ней побежит изгиб, а каждый участок будет двигаться вверх и вниз. Волны на струнах музыкальных инструментов поперечные, как свет и другие электромагнитные волны. В продольной волне среда движется вперёд и назад вдоль направления распространения. Если толкать и тянуть конец длинной пружины, вдоль неё побегут участки сближенных витков, называемые сгущениями.

T: поперечная волна на верёвке. Красная стрелка показывает движение одного участка вверх и вниз, пока волна идёт вправо. L: продольная волна в пружине. Витки движутся влево и вправо вдоль направления распространения и образуют сгущения.

Звук в воздухе и воде распространяется продольными волнами. Текучая среда почти не сопротивляется поперечному сдвигу, поэтому передаёт лишь сжатия и растяжения. Твёрдые тела могут проводить оба вида волн. Морские волны сочетают оба движения, поэтому частицы воды описывают окружности. При землетрясениях через грунт проходят оба вида: по данным OpenStax, продольные P-волны распространяются со скоростью от 4 до 7 km/s, а поперечные S-волны со скоростью от 2 до 5 km/s. Сейсмограф сначала регистрирует P-волну. По задержке S-волны определяют расстояние до землетрясения.

Загрузка

Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.

Сверху: поперечная волна на верёвке. Снизу: продольная волна в пружине с той же длиной волны и частотой. Следи за красной бусиной и красным витком: ни тот ни другой не перемещается вместе с волной.

Волны, которым не нужна среда

Волны на воде, звук и сейсмические волны относятся к механическим: для распространения им нужно вещество. Звук не проходит через пустоту, потому что в ней нечего сжимать. Свет, радиоволны и другие электромагнитные волны устроены иначе. Это изменяющиеся электрические и магнитные поля, способные распространяться в вакууме. Так солнечный свет достигает нас через 150 миллионов километров космоса. OpenStax предостерегает от частой путаницы: радиоприёмник передаёт тебе звук, но сами радиоволны электромагнитные, а не звуковые.

КонтекстСейсмические волны позволяют геологам изучать недра планеты. Ричард Диксон Олдем исследовал записи сейсмографов при крупных землетрясениях по всему миру и заметил, что волны, проходящие через центр Земли, ведут себя так, словно пересекают жидкость. Позже Инге Леманн изучила более точные записи, в том числе полученные сетью сейсмографов, которую она помогла создать. Она показала, что внутри жидкой внешней части ядра есть твёрдая внутренняя часть. Никто не пробурил скважину глубже нескольких километров; представления о ядре основаны на волнах.

Волна	Возмущение, которое удаляется от места возникновения и переносит энергию
Гребень и впадина	Самая высокая и самая низкая точки волны
Длина волны λ	Расстояние между соседними гребнями
Амплитуда	Наибольшее отклонение от положения равновесия
Поперечная волна	Колебания перпендикулярны распространению: среды в волне на верёвке, электрического и магнитного полей в свете
Продольная волна	Среда движется вдоль распространения волны (звук в воздухе)
Механическая волна	Нуждается в материальной среде; звук не проходит через вакуум

Что волна переносит из одного места в другое?
- Энергию
- Саму воду или воздух
- Массу
- Ничего
Чайка плавает в открытом море, а под ней проходят волны. Как движется чайка?
- В основном вверх и вниз, оставаясь примерно на месте
- Вместе с волной к берегу
- Только вбок
- Не движется
Волна на гитарной струне…
- Поперечная
- Продольная
- Не относится ни к одному виду
- Только звуковая
Звук, распространяющийся в воздухе…
- Продольная
- Поперечная
- Электромагнитный
- Сочетание волн, которым не нужен воздух
Что из перечисленного может распространяться в космическом вакууме?
- Радиоволны
- Звук
- Волны на воде
- Сейсмические S-волны
Расстояние от гребня до дна впадины волны на верёвке равно 60 cm. Чему равна амплитуда?
Ты создаёшь более крупные волны на той же верёвке, не меняя её натяжение. Их скорость…
- Не меняется
- Удваивается
- Уменьшается вдвое
- Падает до нуля
Какая сейсмическая волна первой достигает удалённого сейсмографа?
- P-волна (продольная)
- S-волна (поперечная)
- Они всегда приходят одновременно
- Ни одна не достигает его
Условный пример: скорость P-волн равна 6 km/s, а S-волн равна 3.5 km/s. S-волна приходит на 20 s позже P-волны. На каком расстоянии произошло землетрясение?

Главное

Волна представляет собой распространяющееся возмущение; она переносит энергию, а не среду.
Длина волны λ: от гребня до гребня. Амплитуда: от положения равновесия до гребня.
Поперечные волны: колебания перпендикулярны распространению (верёвка, свет). Продольные: направлены вдоль него (звук в воздухе).
Механическим волнам нужна среда, электромагнитным не нужна.

Источники курса (11)

OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).

Проверено: 2026-10-17