Рассмотрим симуляцию распространения волны в пружине (рисунок 1). В этом случае колебания витков происходят в том же направлении, куда и распространяется волна, т.е. направление колебаний совпадает с направлением распространения волны.
Рисунок 1
Волны, в которых направление колебаний совпадает с направлением их распространения, называются продольными волнами.
В природе существуют не только продольные волны.
Проведём опыт с длинным резиновым шнуром. Один его конец неподвижно закрепим, а другой будем перемещать так, чтобы совершались в колебательные движения в вертикальной плоскости (под углом 90° к первоначальному положению шнура). Из-за сил упругости, которые возникнут в шнуре, колебание будет передаваться дальше и распространятся по всему шнуру. Таким образом, направление колебаний будет перпендикулярно исходному положению шнура, но передача колебаний (распространение волны) станет происходить вдоль него (рисунок 2).
Рисунок 2
Если колебание частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны, то такую волну называют поперечной волной.
Волновая машина позволяет наглядно моделировать движение частиц среды с помощью шариков в направлении одной длины волны, рассматривая совокупность шариков как вертикальный слой вещества.
Слои вещества также, как и шарики на модели, смещаются по отношению друг к другу. При этом они колеблются в вертикальной плоскости, совершая движение вверх - вниз. (рисунок 3). Это движение напоминает сдвиг. Так распространяется поперечная волна.
Рисунок 3. Изображение распространения поперечных волн в среде
Механизм распространения продольной волны несколько иной. Слои вещества также деформируются. Только вместо деформации сдвига наблюдается деформация разрежения и сжатия, что приводит к изменению плотности вещества (рисунок 4). Область пространства с повышенной плотностью называют уплотнением, а с малой плотностью — разрежением.
Рисунок 4 Изображение распространения продольных волн в среде
Важные выводы:
Из-за разности строения твердых тел, жидкостей и газов следует вывод: какие механические волны и в какой среде могут распространяться.
При наличии поверхности, а она есть только у твердых тел и жидкостей, могут возникать поперечные волны. В свою очередь, для продольных волн это условие не обязательно. Для их распространения нужны только молекулы среды. Поэтому продольные волны распространяются как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.