駐波,竟然還可以這麼好看 - 科學探索 - cnBeta.COM

2020-11-30 cnBeta

來了暖氣之後，確實是不冷了。不僅是不冷了，還變得更熱了（氣）。搞得小編有一點聲音就無法安心學習（暴躁）。為了能夠隔絕聲音，小編想到了耳塞、耳罩，帶起來都不太舒服；降噪耳機一方面是因為還要充電，另一方面是買不起。所以小編就打起了其他心思，不如把我隔絕起來，就聽不到聲音了！

可是聲波的傳播是需要空氣的，我貌似不能離開空氣。（失敗而告終）

什麼是波？

What is wave？

那麼什麼是波呢？


一種波動

其實在物理學和數學等相關領域中，波是由於一個或多個場的幹擾，從而使場的值圍繞穩定的平衡值（靜止值）反覆振蕩的結果。[1] 波可以將能量或者信息從一個位置傳輸到另一個位置。

常見的波是機械波，機械波必須依靠介質才能傳播，比如沿著繩索傳播的波。而最常見的機械波是聲波。


上課鈴聲響起

聲音由音源的振動產生，課堂上一般用音叉來演示聲波的產生與傳播。敲打音叉後，音叉的尖齒來回振動，擾動周圍的空氣分子。這些擾動通過粒子相互作用傳遞到相鄰的空氣分子上，這樣音叉產生的聲音就可以通過空氣（介質）傳播了。

並不是所有波的傳播都需要介質，比如電磁波就可以在真空中傳播。電磁波一般是由電荷變速產生變化的電場，變化的電場產生磁場，進而變化的磁場產生電場。感應電場與磁場之間的這種相互作用會在空間上導致電磁波的傳播。頻率不同的電磁波名稱不同，按照頻率增加的順序依次為：無線電波、微波、紅外輻射、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。[2]

逐漸普及的無線充電技術就是應用電磁感應原理。由兩個分別位於充電器和手機中的感應線圈組成，當打開充電器時，交流電流通過充電器中的初級線圈，產生變化的磁場，當手機靠近充電器時，手機中的次級線圈就會產生電流，從而達到充電的目的。[3]

還有其他類型的波。比如：在引力場中根據廣義相對論傳播擾動的引力波、結合了機械變形和電磁場效應的等離子波、熱擴散波和反應擴散波等等。

引力波

波的簡單分類

Simple classification of waves

一般會將波的振動方向與傳播方向之間的關係將波分為橫波與縱波。

振動方向垂直于波傳播方向的波叫橫波。一個簡單例子就是在薄膜上產生的波。


薄膜上的橫波 來源：維基百科

波在平行於膜平面的方向上傳播，也就是沿著膜傳播。但是膜本身垂直於該平面上下移動。另外最常見的橫波就是光波。其中的磁場與電場都垂直於傳播方向振蕩。橫波一般發生在彈性固體中。[4]

縱波是介質的位移與波的傳播方向相同或者相反的波。機械縱波有時候也稱為壓縮波。因為它們在穿過介質時會產生壓縮與稀疏。最常見的縱波就是聲波，靠介質分子的前後振蕩向前傳播。還有拉升彈簧傳播的波也是縱波。[5]


拉伸彈簧形成的縱波 來源：維基百科

如果場中不同點的相對振幅發生變化，則稱該波為行波。[1] 機械性的行波是介質中的單個原子或者分子在其平衡位置附近振蕩，然後會與相鄰的介質粒子發生相互作用（比如碰撞等）將一些能量傳遞給它們。通過這種方式，能量就可以在介質中傳輸，而不需要傳輸任何物質。[6]


行波 來源：維基百科

如果場中不同點處的相對振蕩振幅保持恆定，換句話說也就是，波在時間上振蕩，但是其峰值幅度分布不隨空間移動，則稱該波為駐波。[1] 振幅最小的位置成為波節，振幅最大的位置稱為波腹。這種現象可能是由於介質沿與波相反的方向移動發生的，或者是由於兩個沿相反反向傳播的行波的疊加產生的。

有趣的駐波

Interesting standing wave

牛頓第三定律告訴我們，力的作用是相互的，且兩個物體之間的作用力與反作用力大小相等，方向相反，作用在同一直線上。


牛頓第三定律

而應用牛三的原理，也可以形成我們所說的駐波，而且是非常美麗的駐波。

火箭是由於噴射氣體而產生推力運動的，但是它們的擴散速度並沒有火箭快。當氣體過度膨脹時，與外部大氣相比，排出的氣體壓強較低，導致排氣被向內擠壓。這種壓縮增加了排氣的壓力，但是，氣流可能被壓縮得太多，以致其壓力超過大氣壓。結果，氣流再次向外膨脹以減小壓力。


波浪結構會在過大的流動中產生馬赫環 來源：aerospaceweb

此過程也可能延申的比較遠，導致內部壓力再次降至低於環境壓力。無論如何，每次氣流通過這些壓縮和膨脹過程之一時，內部壓力和外部壓力之間的差都會減小。隨著時間的流逝，壓縮和膨脹過程會不斷重複，直到排氣壓力變得與周圍大氣壓相同為止。這就是形成馬赫環的原因。


噴氣式戰鬥機的馬赫環


鞭炮在水下爆炸（上方與下方的氣泡）

這些現象都是由於駐波產生的結果，這導致在空間上形成一系列的節點與波腹。由於牛頓第三定律，施加的推動會產生相反的力，從而形成加壓（波腹）和減壓（波節）區域。

原來，比較「普通」的駐波也可以這麼有趣，那是不是還有什麼「簡單的」知識就可以解釋的更加有趣的現象呢？也歡迎在下方留言分享給大家討論。


氣體從偏光照明的可樂瓶中流出

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