Поперечные волны как одно из наиболее распространенных физических явлений

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Волна -- изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

В этом определении отсутствует ещё один очень важный момент, это упоминание о том, что распространение любой волны связано с участием сил упругости, присущих любой среде, состоящей из отдельных частиц, совершающих хаотическое движение с различными скоростями. Отталкиваясь от этого определения и дополнения к нему, попробуем проанализировать и сравнить два вида волн: продольные и поперечные.

Вспомним принцип работы пружины или резинового жгута. Этот принцип весьма прост. При растяжении пружины или резинового жгута, они удлиняются, а после снятия растягивающей силы они возвращаются в исходное состояние, т. е. сокращаются в длине до исходного размера. Возврат в исходное состояние связан с работой сил упругости. Нечто подобное происходит и в среде, при прохождении в ней волны. Среда испытывает попеременно, то сжатие то растяжение. Иначе говоря, изменяется плотность среды. Гребень волны означает уплотнение среды, провал волны означает разряжение среды. Если принципы работы пружины и среды весьма сходны, то можно провести наглядный анализ, используя пружину или резиновый жгут в качестве модели среды. Анализ будет касаться возможности наблюдения поперечной и продольной реакции от воздействия на нашу модель среды.

Для проведения воображаемого опыта возьмём достаточно длинную пружину. Если оказывать на один конец пружины периодическое воздействие (давление) в направлении её оси, то по пружине будет распространяться продольная бегущая волна. Распространение этой волны будет заметно по характерным уплотнениям и разряжениям витков пружины вдоль её длины. Теперь попробуем смоделировать на этой пружине поперечную волну. Для этого будем воздействовать на эту пружину в поперечном направлении, а именно, раскачивать её из стороны в сторону. При этом можно наблюдать, как по пружине пробегает поперечная волна, наблюдаемая в виде смещения витков пружин в различные стороны от оси пружины, т. е. поперёк распространения волны. Примерный вид распространения подобных волн представлен на Рис 1, позаимствованным мной из интернета.

Рис. 1

Однако в случае распространения поперечной волны имеется один маленький нюанс. Картину, подобную описанной, можно наблюдать лишь в том случае, если дальний, от воздействия, конец пружины жёстко зафиксирован относительно начала пружины. Если дальний конец пружины будет полностью свободен, то поперечная волна по этой пружине не будет распространяться, ну максимум на несколько периодов от начала пружины и с большим затуханием. Связано это с тем фактом, что в случае фиксации дальнего конца пружины в ней возникают дополнительные упругие силы, влияющие на процесс возврата пружины в исходное состояние, при поперечном смещении её элементов. А вот при распространении по пружине продольной волны закрепление дальнего конца, не играет ни какой роли. Волна будет распространяться, не зависимо от того, закреплён дальний конец или нет. Суть этого явления проще рассмотреть на резиновом жгуте. Если концы резинового жгута не закреплены с натягом, то жгут принимает форму произвольной кривой. Если растянуть концы резинового жгута, то его форма представляет собой прямую линию. Это, в свою очередь, означает, что появились дополнительные силы упругости, сдавливающие со всех сторон резиновый жгут и придающие ему форму прямой линии. И вот эти поперечные силы упругости и позволяют возникать поперечной волне. Если поперечные силы упругости отсутствуют, то о распространении поперечной волны в такой среде не может идти речи.

Рассмотрим ещё одну модель среды, которая поможет лучше разобраться в принципиальной возможности возникновения поперечных волн. На Рис. 2 изображена модифицированная установка «шариков Ньютона». Установка состоит из двух рядов шариков, расположенных перпендикулярно друг другу и имеющих один общий шар. Сами шары подвешены к неподвижной основе на пружинных подвесах.

Рис. 2

Если оказать импульсное воздействие на серый шар вдоль оси ОХ (Fx), то можно наблюдать, как по шарикам вдоль этой оси пройдёт волновое движение шаров. При этом все шары, расположенные вдоль оси OY останутся в покое. При воздействии на серый шар импульсом силы Fy , волновое движение будет распространяться вдоль оси OY , а шары вдоль оси OX останутся в покое. Из этих опытов следует вывод, что волновое движение в среде возможно только вдоль направления силы воздействия. Можно, конечно, предложить вариант по воздействию импульса силы, направленного под углом 45 0 к оси ОХ, тогда, в случае близкого расположения, вторых шаров в каждой из цепочек, силовое воздействие будет оказано на шары обоих цепочек. Однако величина такого воздействия будет значительно меньше:

Fx = 0,5 * cos 45 0 * F воздействия , эта величина составит ~ 0,175 Fвоз.

При этом, эти силы будут действовать не строго вдоль соответствующих осей шариков, а с некоторым смещением в стороны, от направления распространения волны вдоль цепочек шариков. Это приведёт к очень быстрому затуханию такого волнового процесса в каждой из цепочек.

Вывод из этого опыта напрашивается следующий, это то, что невозможно создать в среде распространение волны за счёт поперечного смещения частиц среды. Для распространения волны необходимо, что бы воздействие на частицы среды оказывалось вдоль направления её распространения.

Этот вывод кардинально не совпадает с тем, чему нас учат различные учебники физики. Чтобы прояснить ситуацию, рассмотрим некоторые конкретные примеры т. н. «поперечных волн», которые мы могли наблюдать в жизни, и на которые ссылаются учебники физики.

Самым первым примером таких волн, приходящим на ум, могут служить волны на поверхности воды. Визуально в этом явлении, явно присутствует поперечное смещение «среды воды» и продольное направление распространение этой волны. На Рис. 3 изображена волна, распространяющаяся по поверхности воды. Этот рисунок поможет понять суть процессов при распространении волны и сделать из этого правильные выводы.

Рис. 3

И хотя визуальные эффекты в распространении поверхностной волны практически полностью совпадают с эффектами колебания металлической струны, во многих учебниках поверхностную волну относят к волнам смешанного типа (в которой присутствуют элементы продольной и поперечной составляющих), а колебания металлической струны - к чисто поперечным колебаниям. В этом посыле, про смешанные колебания, на мой взгляд, заложена очень правильная предпосылка к пониманию волновых процессов.

Мне представляется, что процесс распространения поверхностной волны происходит следующим образом. Волна в воде распространяется от источника находящегося в воде или частично погружённого в воду. Это волна представляет собой самую обычную продольную волну, распространяющуюся во все стороны от источника, и имеет, самый обычный сферический фронт. Этот момент на рисунке опущен, так как самое интересное в этом явлении, это образование на поверхности воды гребней и провалов, выглядящих, как поперечная волна. В воде, вдоль границы раздела сред, образуются уплотнения и разряжения воды, как и при распространении любой продольной воды в среде. Сверху, на поверхность воды оказывают давления частицы воздуха, это не что иное, как поперечные силы упругости в процессе распространения поверхностной волны. В противоположном направлении действуют силы реакции опоры от толщи неподвижной воды. В тех местах, где водная среда в поверхностном слое уплотнена, возникает сила давления воды на воздух. Так вода пытается скомпенсировать локальное повышение своей плотности, и пытается выйти в зону пониженного давления. Проще всего это сделать в сторону воздуха, имеющего меньшую плотность. В этом месте образуется «гребень» волны. В том месте, где плотность воды локально понижена, возникает сила со стороны воздушной среды, вдавливающая воду вглубь, для выравнивания баланса давления между водой и воздухом. В этом месте, на поверхности воды образуется «провал».

Таким образом, наблюдаемая нами поперечная волна на поверхности воды, есть вторичное явление, возникающее при распространении продольной волны в воде и при наличии поперечных сил упругости в виде атмосферного давления воздуха на воду.

Теперь обратимся к полностью официально признанной поперечной волне. Это распространение акустической волны в металле, например в натянутой струне. Как я уже говорил ранее, при колебании струны совершенно отчётливо наблюдаются поперечные колебания струны и продольное распространение волны вдоль длинной струны, если её «щипнуть» на одном из концов. Однако проверить возможность создания поперечной волны в струне очень легко, достаточно оторвать одну из сторон крепления струны. В оторванной струне создать поперечные колебания невозможно. Причина этого в том, что для создания поперечных колебаний нужно наличие поперечных упругих сил. Такие силы возникают лишь в натянутой струне с одновременным усилением продольных сил упругости. Мне кажется, что и в случае со струной, наблюдаемые продольные волны, являются вторичным явлением от возникающей в струне продольной волны. Правда есть в этом явлении свои особенности. Для более лёгкого восприятия особенностей распространения волны в металле, я предлагаю рассмотреть возникновение колебаний в металлической балке с «защемлённым концом». На Рис. 4 изображена такая балка.

волна физический акустический

Рис. 4

Если произвести поперечное смещение свободного конца такой балки и отпустить, то балка будет колебаться в поперечном направлении, хотя на первый взгляд ни каких поперечных сил упругости в такой балке не наблюдается. Однако отклонение свободного конца балки вызывает срабатывание продольных сил упругости. Но есть в этой работе одна особенность. Если балку разделить условно вдоль её длинны пополам, то можно заметить, что в одной половине балка испытывает силы сжатия, а в другой силы растяжения. В зависимости от направления отклонения свободного конца балки эти силы поочерёдно меняются местами. Выходит, что поперечные колебания балки связаны с работой пары продольных сил упругости, работающих в противофазе.

Струна, это, по сути, тонкая металлическая балка. А, следовательно, и в ней колебания, и их распространение связано с работой продольных сил упругости. Вот только для тонкой струны своих продольных сил не достаточно, чтобы поддерживать колебания в длинной струне. Зато стоит натянуть струну, как это сразу приведёт к возможности образования и распространения в струне продольной волны, а точнее двух волн, распространяющихся со сдвигом фаз на полпериода. Наблюдаемые при этом поперечные колебания струны являются всего лишь вторичным эффектом от распространения двух продольных волн.

В качестве примера поперечных волн можно привести ещё волну, которую пускает пастух по своему длинному кнуту. И снова, при внимательном подходе можно заметить, что образование в этом случае поперечной волны связано с работой поперечных сил упругости. В качестве таких сил выступает сила гравитации, стремящаяся вернуть кнут в исходное положение сверху, и сила реакции опоры земли, не позволяющая кнуту провиснуть вниз. Только наличие этих двух сил позволяет запустить волну по кнуту. Например, в космосе, вдали от планет, где максимально понижена сила гравитации, совершить удар кнутом и запустить по нему волну не удастся.

Все перечисленные примеры указывают на то, что поперечной волны, как самостоятельного явления, в природе не существует, а все видимые эффекты, похожие на поперечную волну, являются лишь вторичными эффектами при распространении продольной волны.

До сих пор речь шла исключительно о механических волнах. Безусловно, наибольший интерес представляют собой волны электромагнитные. Во всех учебниках физики на сегодняшний день электромагнитные колебания рассматриваются именно, как поперечные волны. Давайте разберёмся, а так ли это на самом деле?

Вот, например, один из вариантов графического представления электромагнитных волн, взятый мной из одноимённого раздела Википедии:

Рис. 5

Что сразу же бросается в глаза? Самое очевидное, это не правильное отражение даже общепринятой точки зрения о электромагнитной волне. Чтобы понять суть ошибки, вспомним, какими антеннами излучаются и принимаются такие электромагнитные волны, как радиоволны. По большому счёту все антенны можно разделить на два вида: в основе одних антенн лежит токовая петля или катушка, в основе других металлический штырь. К антеннам первого типа можно отнести «волновой канал» и катушку на ферритовом стержне в антенне длинноволнового приемника. К антеннам второго типа, УКВ-КВ антенну в виде металлического штыря. Условное изображение этих антенн и их эквивалентных схем показано на Рис. 6.

Рис. 6

Как не трудно заметить, эквивалентные схемы этих антенн, это индуктивность и ёмкость. В любом учебнике по физике можно увидеть графики изменения напряжения и тока при прохождении по этим элементам переменного электрического тока. Один из вариантов этих графиков, позаимствованных мной из интернета, представлен на Рис. 7.

Рис. 7

На этих графиках отчётливо видно, что сдвиг фаз между током и напряжением в этих элементах составляет р/2, или 1/4 периода переменного тока, проходящего через эти элементы. Это означает, что когда в антенне протекает максимальный ток, то он создаёт вокруг антенны магнитное поле, при этом напряжения между антенной и «землёй» нет, а значит, и нет электрического поля. Когда напряжение между антенной и «землёй» максимально, то вокруг антенны возникает максимальное электрическое поле, а магнитное поле в этот момент отсутствует. Электрическое поле и магнитное поле, образующееся вокруг антенн, это и есть соответствующие компоненты электромагнитной волны. Из этих рассуждений напрямую следует, что и в электромагнитной волне максимум электрической компоненты должен быть сдвинут относительно максимума магнитной составляющей на р/2, или 1/4 периода электромагнитной волны.

Это первая ошибка в представлении об эквивалентном графическом виде электромагнитной волны. Но имеется и вторая ошибка. Это утверждение, что электромагнитная волна - поперечная, т. е. утверждение, что вектор электрической и магнитной индукции перпендикулярен направлению распространения волны. Для подтверждения этого факта имеется лишь одно доказательство, это явление поляризации, наблюдаемое применительно к электромагнитным волнам света. Вот характерная картинка из интернета, наглядно поясняющая суть явления и его механическую интерпретацию:

Рис. 8

Особое внимание предлагаю уделить той важной детали, что дальний конец шнура жёстко закреплён относительно начала шнура, где создаются «псевдопоперечные волны». Электромагнитные колебания любой природы: радиоволна или свет могут распространяться в вакууме абсолютно в любом направлении. Возникает вопрос, а кто «привязал» вакуум на том, значительно удалённом конце? Более того официальная наука признаёт вакуум абсолютной пустотой, что априори, отрицает само наличие какой либо фиксации чего либо на удалённом конце.

Безусловно, все эти рассуждения не отменяют явления поляризации света, но у меня имеется альтернативное объяснение этому реальному оптическому явлению. Впервые эффект поляризации света был обнаружен при прохождении света через кристалл турмалина. Несомненно то, что сам эффект поляризации связан со структурой кристалла турмалина. Могу предположить, что структура кристалла турмалина имеет следующий вид. Часть молекул, входящих в состав кристалла, образуют плотную плоскую структуру. И эти структуры прилегают одна к другой, и имеют между слоями очень слабые связи, образуя, что-то вроде многослойного сэндвича с широкими промежутками между слоями. Механическим аналогом такого кристалла может послужить сборка из большого числа листов фанеры, разделённых широкой воздушной прослойкой.

Представим теперь, что на такую конструкцию, со стороны торцов фанеры будет воздействовать звуковая волна. Как преобразиться звуковая волна при проходе через эту конструкцию? Мне представляется следующая картина. Обычная сферическая или плоская звуковая волна, встретив на пути своего распространения эту конструкцию, преобразуется следующим образом. Часть энергии волны, фронт которой пришёлся на торцы фанеры - отразиться и рассеется. Та часть волны, которая попала в промежутки между листами фанеры, поведёт себя следующим образом. Волна, распространяющаяся вдоль промежутка между листами фанеры, будет практически беспрепятственно распространяться и далее. А вот все составляющие волны пытающиеся распространиться поперёк листов фанеры будут многократно переотражаться от плоскостей листов фанеры, и добавлять энергию волне, распространяющейся вдоль промежутков между листами фанеры. Для более наглядного объяснения приведу аналогию с печением блинов. Когда на горячую сковороду льётся тесто, то встретив преграду в виде сковороды, оно начинает растекаться вдоль неё, образуя блин. На мой взгляд, звуковая волна, проходя сквозь конструкцию из параллельных листов фанеры, преобразуется в своеобразную «стопку блинов». При этом распространение волны не прекращается, а вот структура такого пакета волн изменяется. Теперь если на пути такого пакета волн встретится подобная конструкция из листов фанеры с такой же ориентацией листов, как и в первой конструкции, то звуковая волна продолжит своё распространение, без заметных потерь. А вот если конструкция будет перпендикулярна первой, то волна очень сильно «посечётся» на торцах второй конструкции и очень значительно ослабит исходную звуковую волну. Ситуацию со звуковой волной я привёл для большей наглядности. Но в случае световой волны, проходящей через кристалл поляризатора ситуация будет полностью аналогичной.

Расстояния между отдельными атомами в кристалле поляризатора соизмеримы с длинами волн света, поэтому значительно логичней представить объяснение эффекта поляризации, предложенной мной гипотезой. В случае признания официального варианта есть очень большие проблемы. Во-первых, не понятно, на каких элементах структуры кристалла происходит поляризация света, ведь «фотоны», официально несущие свет настолько малы, что должны легко проходить через любую атомную структуру, например обычное стекло. Во-вторых, с уменьшением интенсивности световой волны, эффект поляризации должен бы уменьшать своё значение, т. к. уменьшается амплитуда поперечной электрической и магнитной составляющей волны. Однако такого эффекта ни кто не обнаружил.

В случае моей интерпретации эффекта поляризации, реализация эффекта проходит на более крупном уровне организации материи, и по этому, не зависит от величины напряжённости электрического и магнитного поля в световой волне.

После всех представленных аргументов я делаю обоснованное логическое заключение, что ни каких поперечных волн в природе не существует, ни механических, ни электромагнитных.

Ещё хочется обратить внимание на следующий момент: в официальной теории распространения электромагнитной волны говориться о векторе электрической и магнитной составляющих. Обратимся к той же самой официальной науке. Электрическое поле создаёт какой-то сгусток «зарядов», а магнитное поле движение этих «зарядов». Очень хочется спросить, а собственно, откуда берутся эти заряды в вакууме, где ни чего нет, а электромагнитная волна распространяется. В свете этого факта мне кажется, что эфирная теория имеет значительно больше шансов, чем пресловутая теория пустоты Эйнштейна. Мне кажется, что уже давно пора направить развитие физики на материальный путь развития, а не на математические и виртуальные фантазии заблудившихся функционеров от науки.

В дополнение к сказанному могу предложить своё видение физических процессов при распространении электромагнитной волны. Для этого рассмотрим начальный процесс распространения электромагнитной волны от штыревой антенны. В момент достижения максимального напряжения на штыревой антенне, относительно «земли», вокруг антенны образуется электрическое поле. Электрическое поле, это не что иное, как структура, вызванная образованием локального сгустка зарядов (в моей интерпретации, просто уплотнения количества незаряженных электронов). Следующий шаг поведения данной структуры, это попытка выровнять значение локального заряда с зарядом окружающего пространства. А именно, электроны, локализованные в небольшой области, попытаются рассредоточиться в области, где их количество меньше. Для этого электроны должны начать двигаться из области их повышенной концентрации (с поверхности штыря антенны), в окружающее пространство. Возникает движение электронов от штыря антенны в пространство, что соответствует течению тока, и как следствие, образованию магнитного поля. По мере убывания избытка электронов с поверхности антенны напряжение между антенной и «землёй» падает и падает значение напряжённости электрического поля. При этом ток электронов, или скорость их истечения увеличивается до максимума, что соответствует максимальному значению магнитного поля. Далее, движущиеся электроны испытывают давление со стороны неподвижных электронов среды, из-за локального повышения плотности электронов в этой точке. Движение этих электронов замедляется до полной остановки, но при этом увеличивается концентрация электронов в новой локальной области. Таким образом, происходит поступательное движение электромагнитной волны в направлении от источника излучения (например, антенны). Возникает вопрос, а почему электроны из локального уплотнения, не начинают двигаться в обратную сторону, к источнику излучения. Ответ прост. На участке от источника до фронта волны упругие силы среды скомпенсированы с некоторым избытком, в сторону распространения волны. В тоже время, перед фронтом волны имеется среда, где силы упругости среды ещё не начали своего активного воздействия. Как результат, волна распространяется в сторону среды, где её воздействие ещё не перестроило структуру среды. Этот процесс напоминает Тянитолкая из сказки Чуковского. Сначала задние ноги толкают Тянитолкая вперёд, а потом передние подтягивают его ещё дальше вперёд. Электрическое и магнитное поле при распространении электромагнитной волны, это передние и задние ноги Тянитолкая. И хотя физическая реальность, ни как, не может опираться на сказки, здравый смысл и опытное подтверждение однозначно указывает на правильность моей теории в отношении поперечных волн, а так же и в описание реального физического распространения электромагнитной волны.

Размещено на Allbest.ru