驻波,竟然还可以这么好看!

驻波,竟然还可以这么好看!
2019年12月01日 09:50 新浪科技综合

  来源:中科院物理所

  来了暖气之后,确实是不冷了。不仅是不冷了,还变得更了()。搞得小编有一点声音就无法安心学习(暴躁)。

太热了太热了

  为了能够隔绝声音,小编想到了耳塞、耳罩,带起来都不太舒服;降噪耳机一方面是因为还要充电,另一方面是买不起。所以小编就打起了其他心思,不如把我隔绝起来,就听不到声音了!

  可是声波的传播是需要空气的,我貌似不能离开空气。(失败而告终)

  什么是波?

  What is wave?

  那么什么是波呢?

 一种波动 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。

上课铃声响起上课铃声响起

  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。

  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]

  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]

  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。

  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。

薄膜上的横波 来源:维基百科薄膜上的横波 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]

  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]

拉伸弹簧形成的纵波 来源:维基百科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]

行波 来源:维基百科行波 来源:维基百科

  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。

  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。

牛顿第三定律牛顿第三定律

  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,流再次向外膨胀以减小压力

波浪结构会在过大的流动中产生马赫环 来源:aerospaceweb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]

喷气式战斗机的马赫环喷气式战斗机的马赫环
 鞭炮在水下爆炸(上方与下方的气泡) 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。

气体从偏光照明的可乐瓶中流出气体从偏光照明的可乐瓶中流出
磁场牛顿
新浪科技公众号
新浪科技公众号

“掌”握科技鲜闻 (微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注)

创事记

科学探索

科学大家

苹果汇

众测

专题

官方微博

新浪科技 新浪数码 新浪手机 科学探索 苹果汇 新浪众测

公众号

新浪科技

新浪科技为你带来最新鲜的科技资讯

苹果汇

苹果汇为你带来最新鲜的苹果产品新闻

新浪众测

新酷产品第一时间免费试玩

新浪探索

提供最新的科学家新闻,精彩的震撼图片