Поперечные и продольные волны. Фронт волны

До сих пор при изучении колебаний мы рассматривали замкнутые системы, т.е. системы, заключаемые в определенные границы, когда энергия системы локализована в этих границах. Пусть мы будем рассматривать вынужденные колебания открытых систем, т.е. систем, не имеющих внешних границ. Если в открытой системе, обладающей упругими свойствами (газ, жидкость, твердые тела) возбудить колебания её частиц, то, благодаря взаимодействию частиц, эти колебания будут распространяться с некоторой конечной скоростью. Процесс распространения колебаний в открытой системе (в частности, в пространстве) называется волной. Волны, образованные внешним воздействием, приложенным к открытой среде, называются бегущими волнами: они "бегут" от создающего их источника. Важным свойством бегущих волн является то, что они переносят энергию и импульс. Основным свойством бегущих волн является то, что перенос энергии происходит без переноса вещества в направлении распространения волны, частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Так, например, упавший в воду камень вызывает распространение круговых волн, которые изменяют кинетическую и потенциальную энергию плавающего на поверхности воды предмета. Если внешняя сила совершает гармонические колебания, то вызванные ею волны называются гармоническими бегущими волнами. Упругие волны бывают продольные и поперечные. В продольных частицы среды колеблются в направлении распространения волны, в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Продольные волны распространяются в твердых, жидких и газообразной средах.

Поперечная волна может распространяться лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвигу, т.е. только в твердых средах.
Важной характеристикой бегущей волны является фронт волны (волновой фронт) – это поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания ещё не возникли.
Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе называется волновой поверхностью. Волновая поверхность может иметь простые формы: сферическую и плоскую. Волны в таких случаях называются соответственно сферическими и плоскими. В сферической волне волновые поверхности представляют собой концентрические сферы, а в плоской – параллельные друг другу плоскости, перпендикулярные распространению волны. Ниже представлены волновые поверхности сферической, плоской и цилиндрической волн. Волновых поверхностей - много, а волновой фронт - один.

Длиной волны λ называется расстояние, на которое распространяется волна за время одного полного периода T колебаний.
Ниже на рисунке представлена гармоническая поперечная волна, распространяющаяся со скоростью v вдоль оси x, т.е., приведена зависимость между смещением частиц среды, участвующих в волновом процессе, и расстоянием x этих частиц (например, частицы В) от источника колебаний О для какого-то фиксированного момента времени t.