хвильовий рух

Хвиля - це обурення, що поширюється з кінцевою швидкістю в просторі і несе з собою енергію. Суть хвильового руху полягає в перенесенні енергії без перенесення речовини. Будь-яке обурення пов'язано з якимось напрямком (вектор електричного поля в електромагнітній хвилі, напрям коливань частинок при звукових хвилях, градієнт концентрації, градієнт потенціалу і т.д.). За взаимоположение вектора обурення і вектора швидкості хвилі, хвилі поділяються на поздовжні (напрямок вектора обурення збігається з напрямком вектора швидкості) і поперечні (вектор обурення перпендикулярний вектору швидкості). У рідинах і газах можливі тільки поздовжні хвилі, в твердих тілах - і поздовжні і поперечні.

Хвиля несе з собою і потенційну і кінетичну енергію. Швидкість хвилі, тобто швидкість поширення обурення, залежить як від виду хвилі, так і від характеристик середовища, наприклад, від міцності бетону при твердінні. Вимірюючи швидкість поширення ультразвуку можна визначити, яку міцність набрав бетон в процесі випарювання.

В Японії запропоновано пропускати ультразвук через сталеві вироби перпендикулярно тим поверхням, відстань між якими потрібно виміряти. Сталеві вироби містилися в ванну, яка просвічувалася ультразвуковими імпульсами. Вимірявши час, необхідний для проходження імпульсу від кожного вібратора, визначали зовнішні розміри вироби / заявка Японії N 51-23193 /.

При наявності дисперсії хвиль поняття швидкості хвилі стає однозначним: доводиться розрізняти фазову швидкість (швидкість поширення певної фази хвилі) і групову швидкість, яка є швидкість перенесення енергії, що ускладнює різні вимірювальні роботи за допомогою різного виду коливань. У разі ж когерентного коливання фазова швидкість може нести інформацію про властивості середовища.

Рис.2.23. Джерело хвиль переміщається ліворуч; тоді зліва частота хвиль стає вище (більше), а праворуч - нижче (менше)

Ефект Доплера - зміна частоти і довжини хвиль, що реєструються приймачем, викликане рухом їх джерела і рухом приймача. Для хвиль, що поширюються в якому-небудь середовищі (наприклад, звуку) потрібно брати до уваги рух як джерела так і приймача хвиль щодо цього середовища. Для електромагнітних хвиль (наприклад, світла), для поширення яких не потрібна ніяка среда, має значення тільки відносне рух джерела і приймача. Також важливий випадок, коли в середовищі рухається заряджена частинка з релятивістської швидкістю. В цьому випадку в лабораторній системі реєструється черенковское випромінювання, що має безпосереднє відношення до ефекту Доплера.

Якщо джерело хвиль рухається щодо середовища, то відстань між гребенями хвиль (довжина хвилі) залежить від швидкості і напряму руху. Якщо джерело рухається у напрямку до приймача, тобто наздоганяє випускаються їм хвилі, то довжина хвилі зменшується, якщо видаляється - довжина хвилі збільшується (рис.2.23).

При русі джерела назустріч приймача:

v - швидкість приймача щодо середовища;

c - швидкість хвиль, що випускаються джерелом;

- частота, з якою джерело випускає хвилі;

f - частота, що реєструється нерухомим приймачем.

На основі цього ефекту створені прилади для вимірювання швидкості руху різних об'єктів.

Патент США 3 555 899: Установка для ультразвукового вимірювання витрати рідини в трубопроводі. Є пристрій для створення двох траєкторій поширення ультразвуку між протилежними бічними стінками трубопроводу та пристрій, який направляє ці траєкторії таким чином, що вони розташовуються в площині, що проходить через паралельно поздовжні прямі, і нахилені до обох прямим під взаємно доповнюють кутами. Установка має пристрій, який посилає ультразвукові коливання в двох протилежних напрямках по кожній з двох траєкторій. Витрата визначається шляхом вимірювання швидкості поширення коливань у напрямку потоку і назустріч потоку і обчислення середнього значення різниці між зазначеними різними швидкостями. Поширення звукових коливань по одній траєкторії може бути забезпечено шляхом відображення ультразвукових коливань, що йдуть по іншій траєкторії.

Патент США 3 564 488: Прилад для вимірювання швидкості рухомих об'єктів, наприклад, для вимірювання швидкості руху тіла по рейках: по одному з рейок пускаються ультразвукові хвилі. У приладі є п'єзоелектричний перетворювач, який служить для виявлення доплеровской частоти в відбитому сигналі, що виходить від точки, розташованої поблизу місця контакту рухомого тіла з рейкою. Частота Доплера використовується для вимірювання швидкості рухається по рейках об'єкта.

Мал. 2.26. Розподіл інтенсивності світла

при дифракції на щілини

У загальному випадку дифракція - це відхилення хвильових рухів від законів геометричної оптики. Якщо на шляху поширення хвилі є перешкода, то на краях перешкоди спостерігається огибание хвилею краю. Якщо розміри перешкоди великі в порівнянні з довжиною хвилі, то поширення хвилі майже не відхиляється від прямолінійного, тобто дифракційні явища незначні. Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі, то спостерігається сильне відхилення від прямолінійного поширення хвильового фронту. При малих розмірах перешкоди хвиля повністю його огинає - вона не помічає перешкоди. Очевидно, величина відхилення (кількісна характеристика дифракції) при заданому перешкоді буде залежати від довжини хвилі: хвилі великої довжини будуть сильніше огинати перешкоду.

Такий розподіл хвиль, використовується в дифракційних спектроскопах, де біле світло (сукупність хвиль різної довжини) розкладається в спектр за допомогою дифракційної решітки.

Дифракція на щілині (ріс.2.26):

,

c - швидкість світла.

А.с. 252 625 Спосіб визначення статичних характеристик прозорих діелектричних плівок, що полягає в тому, що через досліджувану плівку пропускають промінь світла, відрізняється тим, що, з метою спрощення процесу і скорочення часу визначення, на промінь когерентного світла за досліджуваної плівкою встановлюють екран з отвором, обертають досліджувану плівку в площині, перпендикулярній осі променя, отримують усереднену дифракційну картину від отвору і потім з порівняння отриманої усередненої дифракційної картини з розрахункової картиною визна еляют статичні характеристики плівки.