Definición física:
Onda
El movimiento que se forma cuando la perturbación o vibración de una cantidad física se transmite punto a punto en el espacio. Aunque las diferentes formas de ondas difieren mucho en términos de sus mecanismos de generación, métodos de propagación e interacciones con la materia, muestran muchos puntos en común en su propagación y pueden describirse y tratarse con los mismos métodos matemáticos.
La generación de olas y sus fluctuaciones similares son formas importantes de movimiento material y existen ampliamente en la naturaleza. Hay muchas formas de perturbación o vibración que transmiten cantidades físicas. Cuando la perturbación del momento magnético del espín se propaga en los ferromagnetos, hay ondas mecánicas, ondas electromagnéticas (incluidas las ondas de luz), ondas de temperatura (ver helio líquido) y ondas reticulares (ver). dinámica de red), onda de espín (ver física del estado sólido). De hecho, cualquier magnitud macro o microfísica perturbada puede formar ondas cuando se propaga en el espacio. La onda mecánica más común es el proceso de propagación en el espacio del movimiento mecánico de las partículas que componen el medio (provocando cambios en cantidades físicas como desplazamiento, densidad, presión, etc.), como ondas en cuerdas, ondas en la superficie del agua. , ondas sonoras en el aire o sólidos, etc. La premisa de estas ondas es la existencia de una fuerza elástica o interacción de fuerza cuasi elástica entre partículas adyacentes en el medio. Es a través de esta interacción que la vibración de un determinado punto se transmite a las partículas adyacentes, por lo que estas ondas también se denominan ondas elásticas. . Cuando la vibración del campo electromagnético se propaga en el espacio, depende de las leyes del propio campo electromagnético y no requiere ningún medio, por lo que las ondas electromagnéticas (incluidas las ondas de luz) pueden propagarse en el vacío. La cantidad física de vibración puede ser una cantidad escalar, y la onda correspondiente se llama onda escalar (como una onda de sonido en el aire) o vector, y la onda correspondiente se llama onda vectorial (como una onda electromagnética). . Aquellas cuya dirección de vibración es coherente con la dirección de propagación de la onda se denominan ondas longitudinales, y aquellas que son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda se denominan ondas transversales.
La característica común de las ondas La característica común de todas las formas de ondas es la periodicidad. La cantidad física perturbada cambia periódicamente, es decir, la cantidad física en el mismo punto vuelve completamente a su valor original después de un período de tiempo y también tiene periodicidad espacial en la propagación espacial, es decir, después de una cierta distancia espacial a lo largo de la propagación de la onda; dirección, habrá El mismo estado de vibración (como el desplazamiento y la velocidad de las partículas). Por lo tanto, la cantidad física perturbada u no es solo una función periódica del tiempo t, sino también una función de la posición espacial r. La función u(t, r) se llama función de onda o expresión de onda, que es una expresión matemática que cuantitativamente. Describe el proceso ondulatorio. En términos generales, todas las funciones que describen el estado de movimiento pueden denominarse ondas siempre que tengan las características de periodicidad temporal y periodicidad espacial, como las ondas gravitacionales y las ondas de probabilidad de partículas microscópicas (ver dualidad onda-partícula).
Las características comunes de varias ondas son: ① La reflexión y la refracción pueden ocurrir en la interfaz de diferentes medios, y la interfaz de los medios isotrópicos obedece las leyes de la reflexión y la refracción (ver las leyes de la reflexión y la refracción) ② Por lo general, la superposición de ondas lineales sigue el principio de superposición de ondas (el principio de propagación independiente de la luz visible) (3) Cuando se superponen dos o más ondas bajo ciertas condiciones, pueden ocurrir fenómenos de interferencia (interferencia de la luz visible); ) Cuando las ondas encuentran obstáculos en sus trayectorias de propagación, pueden producir fenómenos de difracción (difracción de la luz visible). ⑤ Las ondas transversales pueden producir polarización (polarización de la luz visible);
La onda formada por movimiento armónico simple en la transmisión espacial se llama movimiento armónico simple, y su función de onda es una función seno o coseno. La vibración en cada punto tiene la misma frecuencia v, que se llama frecuencia de la onda. El recíproco de la frecuencia es el período, es decir, t = 1/v La distancia entre dos puntos adyacentes con el mismo estado de vibración. la dirección de propagación de la onda se llama longitud de onda, representada por λ, el recíproco de la longitud de onda se llama número de onda. La distancia u recorrida por la perturbación en unidad de tiempo se llama velocidad de onda. La relación entre velocidad de onda, frecuencia y longitud de onda es u = v λ. La velocidad de la onda está relacionada con el tipo de onda y las propiedades del medio de propagación. La amplitud y la fase de una onda son generalmente funciones de la posición espacial r. La superficie formada al conectar puntos con fases iguales en el espacio se llama frente de onda. La superficie formada por puntos de conexión en el frente de onda debe ser una superficie de fases iguales. , que se llama frente de onda. Las ondas a menudo se dividen en ondas planas, ondas esféricas y ondas cilíndricas según la forma de la superficie de la onda. Las superficies de las ondas son planas, esféricas y cilíndricas en orden. Las vibraciones transmitidas por ondas reales no son necesariamente movimientos armónicos simples, sino movimientos periódicos más complejos, llamados movimientos armónicos no simples. Cualquier onda no armónica puede verse como la superposición de muchas ondas no armónicas de diferentes frecuencias.
La propagación de ondas y ondas de energía siempre va acompañada de la transferencia de energía. Las ondas mecánicas transfieren energía mecánica, y las ondas electromagnéticas transfieren energía electromagnética. La energía que pasa a través de una unidad de área por unidad de tiempo perpendicular a la dirección de propagación se denomina densidad de flujo de energía de la onda, que a menudo se utiliza para describir la intensidad de la onda. La densidad del flujo de energía es proporcional al cuadrado de la amplitud. En general, es necesario distinguir entre la dirección de propagación de la fase y la dirección de propagación de la energía de la onda.
La dirección de propagación de la misma fase (es decir, la superficie de la onda) es perpendicular a la superficie de la onda y se llama dirección normal de la onda. La velocidad de propagación de la fase (o superficie de la onda) se llama velocidad de fase o velocidad normal. Para un medio isotrópico, la dirección normal de la onda y la dirección de transferencia de energía se combinan en una, y la velocidad de fase y la velocidad de propagación de energía también son las mismas. Para los medios anisotrópicos, la dirección normal de la onda y la dirección de propagación de la energía generalmente no coinciden, y la velocidad de fase y la velocidad de propagación de la energía no son iguales.
Durante el proceso ondulatorio, cada partícula del medio solo vibra cerca de la posición de equilibrio y no migra a lo largo de la dirección de propagación de la vibración. Entonces las ondas son la propagación de estados vibratorios, no la propagación de la materia en sí.
Clasificación física:
Según propiedades: dos tipos: ondas mecánicas y ondas electromagnéticas. Las ondas mecánicas son la transferencia de momento y energía en la materia provocada por la propagación de perturbaciones. Los objetos generales están compuestos por una gran cantidad de partículas que interactúan. Cuando parte de un objeto vibra, otras partes vibran una tras otra debido a la interacción de partículas, sin que se produzca ningún gran movimiento correspondiente del propio material. Los ejemplos incluyen ondas, ondas sonoras y ondas de agua que viajan a lo largo de cuerdas o resortes. Al material en el que se propagan las ondas lo llamamos medio. Son deformables o elásticos y continuos. Para las ondas electromagnéticas u ondas gravitacionales, el medio no es necesario y la perturbación que se propaga no es el movimiento del medio sino el campo.
Según la relación entre la dirección de vibración y la dirección de propagación, existen tres tipos: ondas transversales, ondas longitudinales y ondas esféricas. Las ondas en las que la dirección de vibración de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda se denominan ondas transversales, y las ondas en las que la dirección de vibración de las partículas es paralela a la dirección de propagación de la onda se denominan ondas longitudinales.
Según la forma de la onda: indefinida, cualquiera que sea la forma que tenga la onda se llama onda. Como la onda cuadrada (algunas también se llaman onda rectangular), onda en diente de sierra, onda de pulso, onda sinusoidal, onda coseno, etc.
Según longitud de onda: onda larga, onda media, onda corta, microondas.
Según intensidad: onda normal (onda ordinaria), onda de choque.
(incluidas ondas ultrasónicas y ondas infrasonidas), etc. , no existe un requisito unificado sobre qué método de clasificación se utiliza generalmente y en qué condiciones.