Почему скорость океанских волн не постоянна, как звук?

Я думаю, что этот вопрос заключается в том, почему звуковые волны не являются дисперсионными, в то время как гравитационные волны на поверхности воды также зависят от глубины воды.

На самом деле, если глубина воды меньше примерно половины длины волны, скорость гравитационных волн равна$\sqrt{gd}$и не зависит от длины волны. Скорость гравитационных волн в зависимости от глубины воды на самом деле ничем не отличается от скорости звука в воздухе в зависимости от давления, плотности и т. д.

Также звуковые волны могут иметь дисперсию, как показано в статье о дисперсии в бетоне .

Мы обнаружили, что при низких ультразвуковых частотах скорость прихода ультразвукового импульса в такой материал увеличивается с размером зерна. На высоких ультразвуковых частотах наблюдается уменьшение скорости импульса с частотой и размером зерна.

В главе «Происхождение показателя преломления» Фейнман объясняет, что электромагнитные волны взаимодействуют со связанными электронами диэлектрика. Связанные электроны совершают вынужденные колебания под действием набегающих электромагнитных волн. Если частота волны электромагнита не близка к собственной частоте материала, то дисперсия очень мала, но вблизи резонанса материал будет иметь высокую дисперсию.

Итак, на что вы должны обратить внимание, так это на взаимодействие волны со средой и ее окружением.

В ссылке от HyoerPhysics, которую вы процитировали, вы заметили, что движение гравитационных волн показано ниже.

Если глубина воды ограничена (мелководные волны), то вы можете себе представить, что это может повлиять на скорость волн.

Эта зависимость скорости от глубины объясняется в видео плохого качества, но отличного содержания « Волны в жидкости », которое является одним из серии видеороликов о динамике жидкости, снятых Национальным комитетом фильмов по гидромеханике .

В глубокой воде гравитационные волны становятся дисперсионными, поскольку фазовая скорость$\sqrt{\dfrac{g\lambda}{2 \pi}}$что зависит от длины волны.
Как объясняется на видео, гравитационные волны являются результатом разницы гидростатического давления, которая вызывает горизонтальные силы, приводящие к распространению волн.
Боюсь, что я не могу просто объяснить «маханием руками», почему гравитационные волны с большей длиной волны распространяются быстрее, чем волны с меньшей длиной волны, что показано в видео « Рябь в пруду » , в котором также описываются капиллярные волны.

Так что, возможно, ответ на ваш вопрос заключается в том, что, когда вы начинаете изучать волновое движение, используемые примеры, как правило, относительно просты, а дисперсия, как правило, не упоминается, за исключением разделения белого света на составляющие его цвета призмой. Затем более продвинутые курсы показывают, что предположения, сделанные в менее продвинутом курсе, не обязательно верны.

Книга Уилларда Баскома « Волны и пляжи » доступна для бесплатного электронного кредита на Archive.org , если вы зарегистрируетесь на них.

Динамическое происхождение этих двух чрезвычайно различно.

• Поверхностные волны в воде — это гравитационные волны, а это означает, что восстанавливающая сила, пытающаяся вернуть пики и впадины на среднюю высоту, — это гравитация. Пики выше окружающей воды и имеют тенденцию падать, в то время как впадины ниже и имеют тенденцию заполняться водой с пиков с обеих сторон. (И, как и все колебательные явления, волна возникает в результате взаимодействия этой возвращающей силы и инерции среды.)
• Звуковые волны — это волны давления, а значит, возвращающая сила обеспечивается давлением в среде. Карманы высокого давления расширяются за счет своих соседей, а карманы низкого давления сжимаются.

Поскольку динамическое происхождение различно, нет причин ожидать, что скорость двух волн будет иметь одинаковое поведение.

Звуковые волны передают энергию молекулам, энергия которых движется, но молекулы остаются в среднем положении,

>Звуковая волна, распространяющаяся по воздуху, является классическим примером продольной волны. Когда звуковая волна движется от губ говорящего к уху слушателя, частицы воздуха колеблются взад и вперед в том же направлении и в противоположном направлении переноса энергии.

Курсив мой.

Нет коллективного массового движения, есть только перенос энергии.

В то время как волны, которые распространяются в глубинах океана, являются продольными волнами, волны, которые распространяются по поверхности океанов, называются поверхностными волнами. Поверхностная волна – это волна, в которой частицы среды совершают круговое движение. Поверхностные волны не бывают ни продольными, ни поперечными. В продольных и поперечных волнах все частицы во всем объеме среды движутся в параллельном и перпендикулярном направлении (соответственно) относительно направления переноса энергии. В поверхностной волне только частицы на поверхности среды совершают круговое движение. Движение частиц имеет тенденцию уменьшаться по мере удаления от поверхности.

Формула включает это наблюдение.

Вы, должно быть, заметили завитки в разбивающихся океанских волнах.

Но звук есть продукт колебаний, которые провоцируют движение молекул среды (атмосферы) вверх и вниз.

Звуковые волны в воздухе — это продольные волны. Они сжимают и расширяют воздух в направлении распространения волны. Молекулы движутся не вверх и вниз, а вперед и назад. Вы можете иметь подобные волны в воде, и их скорость имеет то же свойство, что и скорость звука в воздухе. У вас могут быть изменения в скорости распространения, когда пространство, через которое распространяется звук, становится очень узким, но в типичных условиях дисперсия незначительна.

Другие ответы предоставляют информацию о поверхностных волнах, которые являются продольными волнами.