音频应用

 找回密码
 快速注册

QQ登录

只需一步,快速开始

阅读: 370|回复: 1

[转载] 驻波,竟然还可以这么好看

[复制链接]

7

帖子

1

听众

273

积分

音频应用新手发布

Rank: 1

积分
273
发表于 2020-5-16 22:21:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

什么是波?

What is wave?

那么什么是波呢?


640.gif


一种波动



其实在物理学和数学等相关领域中,波是由于一个或多个场的干扰,从而使场的值围绕稳定的平衡值(静止值)反复振荡的结果。[1] 波可以将能量或者信息从一个位置传输到另一个位置。



常见的波是机械波,机械波必须依靠介质才能传播,比如沿着绳索传播的波。而最常见的机械波是声波。



6405.gif

上课铃声响起



声音由音源的振动产生,课堂上一般用音叉来演示声波的产生与传播。敲打音叉后,音叉的尖齿来回振动,扰动周围的空气分子。这些扰动通过粒子相互作用传递到相邻的空气分子上,这样音叉产生的声音就可以通过空气(介质)传播了。



640 (2).gif

熟悉的演示工具—音叉



并不是所有波的传播都需要介质,比如电磁波就可以在真空中传播。电磁波一般是由电荷变速产生变化的电场,变化的电场产生磁场,进而变化的磁场产生电场。感应电场与磁场之间的这种相互作用会在空间上导致电磁波的传播。频率不同的电磁波名称不同,按照频率增加的顺序依次为:无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。[2]



640.webp (17).jpg

电磁波频谱图



逐渐普及的无线充电技术就是应用电磁感应原理。由两个分别位于充电器和手机中的感应线圈组成,当打开充电器时,交流电流通过充电器中的初级线圈,产生变化的磁场,当手机靠近充电器时,手机中的次级线圈就会产生电流,从而达到充电的目的。[3]


640 (3).gif

无线充电



还有其他类型的波。比如:在引力场中根据广义相对论传播扰动的引力波、结合了机械变形和电磁场效应的等离子波、热扩散波和反应扩散波等等。



640 (4).gif

引力波




波的简单分类

Simple classification of waves

一般会将波的振动方向与传播方向之间的关系将波分为横波与纵波。



振动方向垂直于波传播方向的波叫横波。一个简单例子就是在薄膜上产生的波。

640 (5).gif

薄膜上的横波 来源:维基百科



波在平行于膜平面的方向上传播,也就是沿着膜传播。但是膜本身垂直于该平面上下移动。另外最常见的横波就是光波。其中的磁场与电场都垂直于传播方向振荡。横波一般发生在弹性固体中。[4]


640 (6).gif


电磁波 来源:维基百科



纵波是介质的位移与波的传播方向相同或者相反的波。机械纵波有时候也称为压缩波。因为它们在穿过介质时会产生压缩与稀疏。最常见的纵波就是声波,靠介质分子的前后振荡向前传播。还有拉升弹簧传播的波也是纵波。[5]



640 (7).gif

拉伸弹簧形成的纵波 来源:维基百科



如果场中不同点的相对振幅发生变化,则称该波为行波。[1] 机械性的行波是介质中的单个原子或者分子在其平衡位置附近振荡,然后会与相邻的介质粒子发生相互作用(比如碰撞等)将一些能量传递给它们。通过这种方式,能量就可以在介质中传输,而不需要传输任何物质。[6]

640 (8).gif

行波 来源:维基百科
关注音频应用官网公众号资讯合作

7

帖子

1

听众

273

积分

音频应用新手发布

Rank: 1

积分
273
 楼主| 发表于 2020-5-16 22:24:45 | 显示全部楼层
如果场中不同点处的相对振荡振幅保持恒定,换句话说也就是,波在时间上振荡,但是其峰值幅度分布不随空间移动,则称该波为驻波。[1] 振幅最小的位置成为波节,振幅最大的位置称为波腹。这种现象可能是由于介质沿与波相反的方向移动发生的,或者是由于两个沿相反反向传播的行波的叠加产生的。



640 (9).gif

两个反向传播的行波形成驻波 来源:tumblr




有趣的驻波

Interesting standing wave

牛顿第三定律告诉我们,力的作用是相互的,且两个物体之间的作用力与反作用力大小相等,方向相反,作用在同一直线上。



640 (10).gif

牛顿第三定律



而应用牛三的原理,也可以形成我们所说的驻波,而且是非常美丽的驻波。



火箭是由于喷射气体而产生推力运动的,但是它们的扩散速度并没有火箭快。当气体过度膨胀时,与外部大气相比,排出的气体压强较低,导致排气被向内挤压。这种压缩增加了排气的压力,但是,气流可能被压缩得太多,以致其压力超过大气压。结果,气流再次向外膨胀以减小压力。



640.webp (18).jpg

波浪结构会在过大的流动中产生马赫环 来源:aerospaceweb



此过程也可能延申的比较远,导致内部压力再次降至低于环境压力。无论如何,每次气流通过这些压缩和膨胀过程之一时,内部压力和外部压力之间的差都会减小。随着时间的流逝,压缩和膨胀过程会不断重复,直到排气压力变得与周围大气压相同为止。这就是形成马赫环的原因。[7]



640 (11).gif

喷气式战斗机的马赫环


640 (12).gif


马赫环



640 (13).gif

水下射击



640 (14).gif

鞭炮在水下爆炸(上方与下方的气泡)



这些现象都是由于驻波产生的结果,这导致在空间上形成一系列的节点与波腹。由于牛顿第三定律,施加的推动会产生相反的力,从而形成加压(波腹)和减压(波节)区域。



原来,比较“普通”的驻波也可以这么有趣,那是不是还有什么“简单的”知识就可以解释的更加有趣的现象呢?也欢迎在下方留言分享给大家讨论。


640 (15).gif


气体从偏光照明的可乐瓶中流出



其余图片来源于GIPHY
参考文献:
[1] wave-维基百科
[2] Electromagnetic_wave-维基百科
[3] Wireless Inductive Charging-Darian Brooks
[4] Transverse wave-维基百科
[5] Longitudinal wave-britannica
[6] Traveling waves-田纳西大学物理系
[7] Shock Diamonds and Mach Disks-aerospaceweb
关注音频应用官网公众号资讯合作
回复 支持 反对

使用道具 举报

高级模式 自动排版
您需要登录后才可以回帖 登录 | 快速注册

本版积分规则

小黑屋|手机版|Archiver|音频应用 ( 鄂ICP备16002437号-6)

Powered by Audio app

快速回复 返回顶部 返回列表