Волны. Виды волн

Волна – изменение некоторой совокупности физических величин (характеристик некоторого физического поля или материальной среды), которое способно перемещаться, удаляясь от места их возникновения, или колебаться внутри ограниченных областей пространства.

Волновой процесс может иметь самую разную физическую природу: механическую, химическую (реакция Белоусова – Жаботинского, протекающая в автоколебательном режиме каталитического окисления различных восстановителей бромисто-водородной кислотой HBrO₃), электромагнитную (электромагнитное излучение), гравитационную (гравитационные волны), спиновую (магнон), плотности вероятности (ток вероятности) и т. д. Как правило, распространение волны сопровождается переносом энергии, но не переносом массы.

Многообразие волновых процессов приводит к тому, что никаких абсолютных общих свойств волн выделить не удается. Одним из часто встречающихся признаков волн считается близкодействие, проявляющееся во взаимосвязи возмущений в соседних точках среды или поля, однако в общем случае может отсутствовать и оно.

Среди всего многообразия волн выделяют некоторые их простейшие типы, которые возникают во многих физических ситуациях из-за математического сходства описывающих их физических законов. В таком случае об этих законах говорят как о волновых уравнениях. Для непрерывных систем это обычно дифференциальные уравнения в частных производных в фазовом пространстве системы, для сред часто сводимые к уравнениям, связывающим возмущения в соседних точках через пространственные и временные производные этих возмущений. Важным частным случаем волн являются линейные волны, для которых справедлив принцип суперпозиции.

По своему характеру волны подразделяются на:

• По признаку распространения в пространстве: стоячие, бегущие.
• По характеру волны: колебательные, уединенные (солитоны).
• По типу волн: поперечные, продольные, смешанного типа.
• По законам, описывающим волновой процесс: линейные, нелинейные.
• По свойствам субстанции: волны в дискретных структурах, волны в непрерывных субстанциях.

По геометрии: сферические (пространственные), одномерные (плоские), спиральные.

Бегущие волны, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»).

В основном физические волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту. Примером таких волн может служить нестационарное излучение газа в вакуум, волны вероятности электрона и других частиц, волны горения, волны химической реакции, волны плотности реагентов, волны плотности транспортных потоков.

Поскольку волновые процессы обусловлены совместным колебанием элементов динамической системы (осцилляторов, элементарных объемов), они обладают как свойствами колебаний своих элементов, так и свойствами совокупности этих колебаний. К первым относится временная периодичность – скорость изменения фазы с течением времени в какой-то заданной точке, называемая частотой волны \(f\); иногда ее обозначают буквой \(ν\). К волновым свойствам относится пространственная периодичность – скорость изменения фазы (запаздывание процесса во времени) в определенный момент времени с изменением координаты – длина волны \(\lambda\).

Временная и пространственная периодичности взаимосвязаны. В упрощенном виде для линейных волн эта зависимость имеет следующий вид:

\(f=\frac c\lambda\),

где \(c\) – скорость распространения волны в данной среде.

Для сложных процессов с дисперсией и нелинейностью данная зависимость применима для каждой частоты спектра, в который может быть разложен любой волновой процесс.