關於波
波就是振動的傳播。當波從波源傳播出去,就是介質的事。
在同種均勻介質中,振動的傳播是勻速直線運動,這種運動,用波速V表征。
對於勻速直線運動,波速V不變(大小不變,方向不變),所以波速V是一個不變的量。
振動是另一回事,介質分子並沒有隨著波的傳播而遷移,介質分子的永不停息的無規則的運動,是熱運動,其平均速度為零。
所以,在研究振動和波的問題上,為了使問題儘量簡化,我們假定所有的介質分子都是靜止的。它們每一個個體的運動,只是簡諧振動。
我們知道,作簡諧振動的質點的運動速度,時時刻刻都是變化的。如果振動方程是
x=Asinωt
那么,速度就是v=ωAcosωt,
時間t變化,振速v隨時間而發生變化。
波的分類
當振動在介質中傳播時,有兩種形式,一種叫做P波,又叫做縱波。這種波的特點,就是振速v‖V波速。
另一種叫做S波,又叫橫波。這種波的特點,就是振速v⊥V波速。
橫波也稱“凹凸波”。質點的振動方向與波的傳播方向垂直,這樣的波稱為“橫波”。
橫波的特點是質點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。在橫波中波長通常是指相鄰兩個波峰或波谷之間的距離。電磁波、光波就是橫波。橫波;質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波。突起的部分為波峰,凹下部分叫波谷。縱波longitudinal wave (P波)縱波是質點的振動方向與傳播方向平行的波。如敲鑼時,鑼的振動方向與波的傳播方向就是平行的,聲波是縱波。
定義:一個可以穿過整個地球的主要的(壓縮的)地震波。之所以這樣命名是因為它是在地震期間到達地震儀駐地的第一波。
波長的定義
波長:沿著 波 的傳播方向,在波的圖形中相對 平衡位置 的位移時刻相同的兩個質點之間的距礱。 橫波與縱波的波長 ---- 在橫波中波長通常是指相鄰兩個 波峰 或 波谷 之間的距離。在縱波中波長是指相鄰兩個 密部 或 疏部 之間的距離。
波的傳播
固體有切變彈性,所以在固體中能傳播橫波,液體和氣體沒有切變彈性,因此只能傳播縱波,而不能傳播橫波。 液體表面形成的水波是由於重力和表面張力作用而形成的,表面每個質點振動的方向又不和波的傳播方向保 嚴格說,在水表面的水波並不屬於橫波的範疇,因為水波與地震波都是既有橫波又有縱波的複雜類型的機械波。
水波很容易被認為是一種橫波,實際上並非如此。在平衡的情況下,水的表面是水平的。水面發生擾動時,使水面恢復水平的回覆力有兩個,一個是重力,另一個是表面張力。水波中,對水面質點提供的回覆力在波長很小時,表面張力的作用是主要的,這種波叫做表面張力波。對於波長很長很長的波,表面張力的作用可以忽略,波動主要是重力作用的結果,這種波叫做重力波。由於水的不可壓縮性,波峰中的水必然是從附近的波谷中流出來的。因此,水波中的每個質點的運動都是由縱向運動和橫向運動合成的
相關學術問題
有人會問:如果振速v與波速V 既不在同一直線上,又不互相垂直呢?
我們可以認為,這樣的波源傳播出來的波,含有兩列波,一列是縱波,一列是橫波。
它們在同一種介質中的傳播速度V不同,縱波的速度比橫波的速度大得多。所以,在波從波源中傳播出來之後,它們就自動分開了。
那為什麼縱波和橫波的波速會不相同的呢?
首先我們應該知道:什麼是縱波?什麼是橫波?如果最基本的問題都沒有搞清楚,卻不斷地追問下去,最後的結果,除了把自己搞糊塗,沒有任何好處。
我們如果對分子運動論很熟悉,就會知道,既然我們研究的介質分子是靜止的、均勻分布的,那么,對於縱波來說,當振子向前運動時,它將占據前方原來均勻分布介質分子的空間,把原來的介質分子壓縮在一個小空間中,形成一個密部。
密部的分子之間的距離變小,呈現的分子力是斥力。斥力使分子向周圍作離心運動。離心運動的結果,使原來是密部的小空間變成疏部,而周圍的空間變成新的密部。
那么,巨觀地看,相當於原來密部變成疏部,而且密部傳播出去。
那么,新的疏部也傳播出去。
於是,巨觀地看,振子(波源)不斷向外傳播出密疏相間的振動,這就是縱波。
顯然,分子力的斥力較為強大,而且作用範圍較近,因此,振動傳播出去的速度較快。所以,縱波的傳播速度較快。
不僅如此,這一敘述對所有介質都適用。所以,縱波可以在固體、液體、氣體的內部傳播,也可以在固體的表面傳播,卻不可以在液體和氣體的分界面上傳播。
那為什麼縱波不可以在液體和氣體的分界面上傳播?
在液體和氣體的分界面上,液體的表面層分子比較稀薄,形成一個呈現表面張力的特殊層。這一層如果出現密部和疏部,意味著液體的表面粉碎。
表面張力不允許液體表面粉碎,所以液體表面不能傳播縱波。
那么橫波呢?對於波速V,介質分子是橫向運動的,它們之間的分子力主要為分子引力,力較小,作用範圍又較大,所以振動的傳播比較慢。
氣體分子之間沒有橫向力,液體內部的分子之間也沒有橫向力,所以,橫波不能在氣體中傳播,也不能在液體中傳播。橫波可以在固體內部、固體表面、液體和氣體的分界面上傳播。
當地震發生時,強大的能量在震中釋放出來,造成破壞。例如,四川汶川地震播放的能量,相當於256顆核子彈同時爆炸。這樣巨大的能量,有部分以地震波的形式,傳播出去。
其中,當然有縱波和橫波。
由於縱波可以在地球內部的所有介質中傳播,所以,傳播到台灣、北京等遙遠的地方的地震波,主要是縱波。縱波在建築物中引發的震感,就是水平晃動。樓層越高,感覺越明顯。
橫波呢?橫波在地球內部傳播時,遇到地下水、或者河流、海洋,就會"過不去"。橫波在震中附近的建築物中引發的震感,就是豎直巔波。
對於抗震級數不夠的建築物,豎直巔波會直接破壞建築的內部結構,破壞性比縱波強烈得多。
雖然,震中之外的地方,橫波比縱波來得慢,它震鬆了建築結構,並沒有造成坍塌。可是等下一個縱波到來時,已經震鬆了的建築結構,如何能夠經受水平的晃動?這就是餘震比主震級數低,破壞力卻更大的主要原因。
通常,主震到餘震之間有一定的時間,如果能夠抓緊這段時間,撤離建築物,到空曠的地方去,那么,需要挖掘救助的人員,就會大大降低。