ГДЗ по физике, 10 класс, Касьянов, номер 164.4: Распространение поперечных сейсмических волн

Продольная волна — это механическая волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения самой волны. Возникновение такой волны связано с наличием сил упругости при деформации объёма или линейного размера тела.

• Источник возмущения: При ударе или вибрации источника частицы среды вблизи него смещаются из положения равновесия.
• Зоны сжатия и разрежения: Смещение частиц приводит к тому, что одни области среды сжимаются (частицы сближаются), а другие расширяются (частицы удаляются друг от друга).
• Передача энергии: Силы упругости стремятся вернуть частицы в исходное состояние, но по инерции они проскакивают положение равновесия, передавая импульс соседним слоям частиц. Так чередующиеся зоны сжатия и разрежения начинают перемещаться в пространстве.

Твёрдые тела обладают высокой жёсткостью и сильными межатомными связями. Это позволяет им эффективно сопротивляться деформациям сжатия и растяжения.

• Свойства среды: В кристаллической решётке атомы связаны пружинками (силами упругости). Когда один слой атомов смещается, он тянет за собой следующий слой.
• Скорость распространения: Из-за большой плотности и высокого модуля упругости продольные волны в твёрдых телах распространяются очень быстро. Например, в стали скорость звука составляет около 5000 м/с, а в граните — около 6000 м/с.
• Особенность: Твёрдые тела могут поддерживать как продольные, так и поперечные волны, но механизм продольной волны здесь основан именно на деформации объёма и линейном сжатии решётки.

Газы состоят из молекул, которые находятся в хаотичном тепловом движении и слабо взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Продольные волны в газах — это звуковые волны.

• Механизм передачи: Когда поршень или мембрана толкает газ, молекулы вблизи неё уплотняются (зона сжатия). Эти молекулы сталкиваются с соседними, передавая им импульс, и сами отскакивают назад, создавая зону разрежения позади себя.
• Отсутствие упругих связей: В отличие от твёрдого тела, в газе нет фиксированных связей между частицами. Упругость газа обусловлена не силами притяжения, а давлением, которое меняется при изменении плотности.
• Скорость распространения: Скорость продольной волны в газе значительно ниже, чем в твёрдом теле, так как масса молекул велика относительно их взаимодействия, а плотность мала. В воздухе при нормальных условиях эта скорость составляет примерно 340 м/с.

Для наглядности сравним параметры распространения продольных волн в двух средах.

Итог: Продольная волна возникает за счёт последовательного сжатия и разрежения среды. В твёрдом теле она распространяется благодаря упругим связям между частицами, а в газе — благодаря столкновениям молекул и передаче давления. В обоих случаях направление колебаний частиц совпадает с направлением переноса энергии волны.