Интуитивное объяснение распространения механических волн

Сегодня я изучал механические волны, и у меня есть вопросы о том, как импульс распространяется по струне, его отражение и передача на границе, и я надеюсь, что смогу найти здесь помощь.

Во-первых, о распространении импульса. Предположим, у нас есть натянутая веревка, и я ввожу в нее импульс, взмахивая одним концом. Когда я хлещу веревку за конец, я прикладываю некоторую силу и смещаю частицы на этом конце, что создает некоторую кинетическую энергию, которая должна распространяться вдоль веревки. Я должен понимать, что каждая частица, находящаяся под напряжением, создает силу, с которой соседняя частица смещается вдоль у -ось (именно так распространяется энергия). Какая сила возвращает эти возбужденные частицы обратно в исходное положение? Это сила реакции по третьему закону Ньютона) от соседних частиц, которые они только что сместили, или это составляющая натяжения струны? Если это связано с натяжением струны (а я так думаю), то как насчет силы реакции, которую должна проявить соседняя частица? Как действует эта сила реакции на веревку? Пожалуйста, дайте мне ясное представление о том, как происходит это полное распространение.

Силы, действующие на частицы импульса

Синими стрелками показана восстанавливающая сила. Теперь, если я зажал другой конец веревки, импульс отразится обратно инвертированным. Можете ли вы дать интуитивное объяснение того, как происходит эта инверсия? Я читал, что сила реакции со стороны твердой частицы вызывает эту инверсию, но поскольку последняя зажатая частица веревки не может даже двигаться, как энергия этой силы вообще распространяется обратно и передается соседней частице, которая может двигаться? Обычное объяснение того, как распространяется волна, заключается в том, что когда одна частица возмущается (скажем, перемещается вверх), она притягивает другую, которая, в свою очередь, притягивает следующую и так далее. Другими словами, чтобы притянуть или толкнуть следующую частицу, должно произойти какое-то движение/возмущение предыдущей. Но частица зажата.

Без обид, но два момента: 1. Я сдался после вашего 10-го вопроса, вы могли бы подумать о том, чтобы разделить его на ряд вопросов, чтобы повысить свои шансы получить ответ, и 2. Любой учебник по физике для первого курса расскажет вам больше, чем можно подробно описать здесь, например, Холлидей и Резник или множество других, ответы на некоторые вопросы уже есть в сети, например, переворачивание струны на веревке: physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/Boundary-Behavior
Я посетил ссылку, которую вы связали, и она не дает хорошего объяснения imo. Он просто говорит, что инверсия обусловлена ​​третьим законом Ньютона, без какого-либо объяснения того, как энергия распространяется от фиксированной точки. Для меня статья констатирует факты, а не объясняет их. Я подумал о том, чтобы включить все свои вопросы в один, потому что я чувствую, что они тесно взаимосвязаны, и было бы легче ответить на них в потоке. У меня нет доступа к книге, которую вы упомянули, и книга, на которую я ссылаюсь, не дала адекватного объяснения.
@c0smicVorTeX: Вы правы, что уроки физики довольно детские и не объясняют до глубины души. Но, как сказал count_to_10, пожалуйста, разделите свои вопросы; не задавайте несколько вопросов одновременно, независимо от того, насколько тесно они связаны между собой.
Хорошо, я разделю вопрос на 2.
Удалите вторую часть и оставьте только первую часть того, как взаимодействует сила или напряжение.
Убрал вторую часть.
@c0smicVorTeX: Да, теперь все выглядит хорошо.

Ответы (1)

Попробуйте представить себе веревку, состоящую из маленьких твердых шариков, соединенных пружинами. Когда вы делаете выпуклость, как показано на рисунке, пружины расширяются. Теперь ты отпускаешь это. Поднимающийся мяч прикладывает силу вверх к мячу справа от него. Уже расширенные пружины вскоре снова начинают разжиматься. При этом падающий мяч прикладывает направленную вниз силу к мячу слева. Вот как форма выпуклости движется в прямом направлении. Шары справа продолжают создавать восходящую силу для следующих шаров справа.

Когда волна достигает зажатого конца, крайний правый шар должен оставаться зафиксированным. Вся энергия достигает пружины, соединенной с крайним правым шариком. Предпоследний шар будет оставаться высоким до тех пор, пока половина выпуклости не исчезнет. Теперь, если бы не было зажима, оставшаяся половина задницы обычно должна была падать. Но теперь он будет падать обычно + последняя пружина очень сильно разожмется и раскачает полушипу вниз. Это создаст отраженный удар в нисходящем направлении.

Точно так же вы можете представить интерференцию волн на веревке с помощью этой модели.

То есть в основном это сила натяжения, которая движет волну вперед, и никакая другая сила не действует на волну?
Ну, на самом деле ничего не продвигается. Кусочки струны просто движутся вверх и вниз, но таким образом, что место, где эти колебания происходят чаще всего, со временем перемещается вправо. Думать о волне как об объекте, который вы толкаете и тянуть, может ввести в заблуждение, хотя волны действительно несут энергию и импульс.
@KevinZhou Я редактировал там. Я имел в виду, что выпуклая форма движется вперед, а не частицы струны.
@c0smicVorTeX Да. В книгах для объяснения всего этого обычно используют силу натяжения. Натяжение на самом деле похоже на силу пружины в этой модели. Вы можете рассматривать химические связи между последовательными молекулами как пружины ради простоты.
Пожалуйста. Я не специалист в физике. Именно так я представлял волны на струнах в школьные годы. Я имею в виду, что это просто моя личная идея - я не знаю, верна ли она на 100%.