Волны в воде

Посмотрите на наполненную ванну, когда поверхность воды спокойна. Бросим в нее маленький тяжелый предмет, например, кусочек металла или камешек. Тотчас вокруг места, где камень ударился о воду, образуется волна и начнет кольцом расходиться по ванне. Если предмет не очень мал, можно наблюдать вторую и третью волны, следующие за первой, иногда целую цепочку волн. Для образования длинного ряда волн ванна мала, но такой ряд легко увидеть, бросив большой камень в пруд.

Почему образуется волна? Ударяясь о поверхность, предмет вытесняет воду. В результате маленький водяной холм вырастает вокруг предмета. Иногда вода выталкивается так быстро, что часть ее отрывается от поверхности и разбрызгивается во все стороны.

Почему образуется волна

Водяной холм, конечно же, не стоит на месте — вода вокруг точки, где предмет ударился о поверхность, приходит в сложное колебательное движение. Каждый небольшой объем воды движется вверх и вниз и вызывает аналогичное движение соседних с ним объемов, происходящее, однако, с некоторой задержкой во времени. Вы сами можете наблюдать колебания воды с помощью пробки или другого небольшого легкого предмета, плавающего на поверхности воды.

Создадим волну, бросив какой-нибудь предмет в воду. При прохождении волны пробка будет подниматься и опускаться. Требуется определенное время, чтобы колебания воды дошли до соседних участков. Какие-то участки воды уже поднимаются, в то время как соседние еще опускаются. Это легко видеть с помощью нескольких плавающих рядом пробок. Создав волну, вы обнаружите, что часть пробок поднимается вверх, а часть в это же время опускается вниз.

Но почему же волна продолжает распространяться даже после того, как вызвавший ее предмет уже лежит на дне? Камень нарушил равновесие воды и привел ее в колебательное движение. Это колебательное движение уже существует независимо от вызвавшей его причины — волна бежит во все стороны в то время, когда камень уже неподвижен. Колебания распространяются со скоростью, зависящей в основном от природы жидкости, в которой они образовались. В жидкостях типа меда или сиропа, очень вязких и тяжелых, по сравнению с водой, скорость волны очень мала, и волна затухает гораздо быстрее, чем в воде. 

См. также:  Устойчивость плавающих тел

Волны образуются не только при бросании в жидкость предметов, которые в ней тонут. Плавающие предметы при падении на поверхность тоже образуют волны, но их воздействие на жидкость не такое сильное. Волну можно вызвать, двигая вперед-назад в жидкости широкую пластинку. Почему бы не испытать все эти способы в ванне? Двигая ладонь вперед-назад, можно создать целую группу волн. Очень важно при этом найти правильный ритм, но после небольшой тренировки вы сумеете образовать прекрасную вереницу волн. Образуем ее в центре ванны. Посмотрим, что произойдет, когда первая волна достигнет стенки. Волна отразится от нее и пойдет в другом направлении.

Заметьте удивительный факт: волны, отразившись от стенок ванны, двигаются сквозь новые волны, которые продолжают создаваться рукой. Каждая волна идет в своем направлении не изменяясь, как будто встречной волны и не существует. Это важное свойство волн. Они проходят друг сквозь друга, не разрушая одна другую.

Теперь попытаемся создать волны, периодически двигая в воде пластмассовую чашку вверх-вниз в определенном ритме. Заметим расстояние между гребнями волн. Оно называется длиной волны. Затем сделаем движение чашки более частым, ускорим его ритм — волны идут теснее, длина волны стала короче. Замедлим ритм (уменьшим частоту движения) — гребни волн будут разделены большим расстоянием, длина волны станет больше. Предположим, что чашка поднимается и опускается один раз в секунду. Частота колебания будет равна одному колебанию в секунду, или 1 герцу (Гц). Если вы двигаете чашку вверх-вниз два раза в секунду, частота равна 2 Гц, а в случае, когда чашка поднимается и опускается пять раз в секунду, частота колебания равна 5 Гц. Увеличивая частоту, мы уменьшаем длину волны. Иными словами, волна большей частоты обладает более короткой длиной.

Бывает, что землетрясение вызывает внезапный подъем или резкий провал земной коры под водой. Это приводит, как и при движении чашки в ванне, к образованию волны, но только имеющей огромные размеры. Длина такой волны может составлять много километров (а частота — всего несколько колебаний в час), такие волны могут пересечь океан и двинуться на берег. Они известны под названием цунами и могут причинить страшные разрушения городам и поселкам на берегу моря за тысячи километров от места землетрясения.

См. также:  Что такое температура?

Теперь вернемся в ванную комнату и оглянемся вокруг. Не обнаружим ли мы еще каких-нибудь других волн, кроме образовавшихся на поверхности воды?

Они есть, и самые разные.

Днем Солнце посылает световые лучи через окно, ночью их испускает электрическая лампа. Световые волны для распространения не нуждаются в каком-либо веществе типа воздуха или воды. Они могут распространяться даже в пустом космическом пространстве между Солнцем и Землей.

Ученые называют эти волны электромагнитными, так как они имеют непосредственное отношение к электричеству и магнетизму. Длины волн видимого света очень короткие — около 1 /200000 м, а частота огромная — около 1 квадрильона (1 000 000 000 000 000) Гц. Для световых волн различного цвета длина волны разная — от 1/1200000 м для красного до 1/2600000 м для синего цвета.

Принесем в ванную комнату радиоприемник на батарейках и включим его. (Приемником, работающим от сети, пользоваться в ванной нельзя, так как во влажном помещении существует опасность поражения электрическим током.) Радиоволны позволят нам услышать передачу, которая ведется со станции, удаленной от нас на много километров. Попадая в радиоприемник, эти волны проходят сквозь стены комнаты. Радиоволны — это тоже электромагнитные волны, но с гораздо большей длиной и более низкой частотой, чем волны видимого света. Длина радиоволн, на которых ведется большинство передач, составляет десятки-сотни метров, а частота — около миллиона герц.

Находясь в ванной комнате, вы можете услышать голос зовущей вас матери. Она довольно далеко от вас — в кухне. Как вы узнаете, о чем она говорит Звуковые волны, возбуждаемые ее голосовыми связками, распространяются по воздуху и достигают ваших ушей. Звуковые волны, передающие человеческие голоса, имеют обычно длину в несколько метров и частоту в несколько сотен герц.

См. также:  Силы и движение в воде

Волны играют очень важную роль в нашей повседневной жизни. Световые волны жизненно необходимы не только потому, что они обеспечивают способность видеть, но и потому, что они — основной источник энергии для питания растений. С помощью радиоволн и связанного с ними телевидения осуществляется почти вся система связи на больших расстояниях. Звуковые волны позволяют людям общаться на коротких расстояниях. В двух следующих разделах мы подробнее остановимся на важнейших видах волн. Но исходным пунктом наших исследований по-прежнему будет служить ванна.

ЗАДАЧИ

 

1. Перед вами небольшая лодка, стоящая в воде залива на якоре. Ветер дует от берега и вызывает небольшое волнение на поверхности воды. Вы заметили, что лодка покачивается с периодом 4 секунды, когда под ней проходят волны. Расстояние между гребнями соседних волн примерно такое же, как и длина расположенной рядом 10-метровой лодки. Какова скорость распространения волны За сколько времени волна достигнет выхода из залива, находящегося в 0,4 км от лодки.

2 Какова скорость распространения радиоволн, если станция, работающая на частоте 1 000 000 Гц, создает волны длиной около 300 м

 

 

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Найдите в вашей местности возвышение с видом на озеро или другой большой водоем. С этой точки понаблюдайте за волнами, которые образуются лодками. Возьмите фотоаппарат, снимите картину через некоторые интервалы времени, а потом изучите ее.

2 Бросьте два камня в спокойный пруд или озеро. Понаблюдайте за процессом прохождения волн друг сквозь друга.

3 Покройте, стенку ванны полотенцем. Отражаются ли волны от полотенца так же, как они отражались от стенки Как повлияет на отражение волн прикладывание к стенке других материалов, например дерева, металла и т. д.