Механические волны их виды и параметры. Продольные механические волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных. Некоторые специальные разновидности

Моя подруга Нина живет в Казахстане. Когда я ездила к ней в гости, то увидела, что такое равнины этой страны. Мы ехали на автомобиле в поселок по весенней степи, и мне казалось, что она не имеет границ.

Что называют равнинами

Сегодня мы с сыном Сашей снова учим географию. Разбираемся, что такое равнины и какие у них признаки.

Равнины - это большие участки земной поверхности с незначительным уклоном местности (не более 5°). Колебание высоты на равнине примерно до 200 м.

Признаки равнин по абсолютной высоте.

  1. Возвышенные (перепад высот 200–500 м над уровнем моря).
  2. Низменные (перепад высот не более 200 м).
  3. Нагорные (лежат на уровне свыше 500 м).
  4. Впадины (их высшая точка расположена ниже уровня моря).
  5. Подводные равнины.

Равнины отличаются по виду рельефа:

  • горизонтальные или плоские;
  • волнистые;
  • холмистые;
  • ступенчатые;
  • вогнутые.


Бывают денудационные и аккумулятивные равнины. Денудационные появились при разрушении гор. Аккумулятивные образуются при накоплении осадочных отложений.

Самая большая равнина на Земле

Чтобы Саше было понятно, что такое равнины, мы рассмотрели для примера Амазонскую низменность. Эта равнина самая большая на нашей планете. Ее площадь более 5 млн км². Находится она в Южной Америке, в бассейне реки Амазонки и образовалась в результате деятельности этой реки, она аккумулятивная. Равнина раскинулась от Анд до Атлантического океана. Рельеф этой местности неоднороден. Западная Амазония очень низкая и плоская. В восточной Амазонии можно встретить возвышенности до 350 м. Но в основном эта равнина плоская.


Экономическое значение равнин

Я рассказала сыну, какое значение имеют равнины в экономике. Равнины всегда имели большое значение в жизни людей. На их пространствах лучше всего растут зерновые и огородные культуры.

На просторах степей, пампасов и прерий выпасают коров, овец и лошадей. Это возможно благодаря травам и кустарникам, в изобилии растущим на равнинах.


Основу питания людям дают равнины, а это очень важно.

В основном на равнинах расположены села и большие города с их промышленностью.


Равнины - самые удобные места для жизни людей и животных. На равнинах проживает большинство людей, 65% населения Земли.

За многие тысячи и даже миллионы лет на поверхности Земли образовались обширные выровненные поверхности. Их формирование происходило в спокойной тектонической обстановке, когда поверхность испытывала очень медленные опускания или поднятия.

Океаны и моря аккумулируют (т.е. складируют, отлагают) на своём дне толщи осадков. Когда воды морей отступали, огромные участки дна, покрытые мощными слоями осадочных пород, оказывались на суше. Равнины такого типа называют морскими аккумулятивными. Таковы приморские равнины - Северо-Европейская, Причерноморская, Прикаспийская и Западно-Сибирская низменности.

Деятельность крупных рек также приводит к тому, что на ровных, почти горизонтальных поверхностях откладывается материал, переносимый речной водой. Такие аккумулятивные равнины называют аллювиальными (от лат. alluvio - нанос, намыв - прим.. К аллювиальным относятся равнины в долинах рек Инд, Ганг, Брахмапутра, Хуанхэ. Колыбель цивилизации - плодородные земли Междуречья - это Месопотамская низменность, пространство между долинами великих рек Востока Тигра и Евфрата.

В истории планеты было несколько ледниковых периодов, когда ледяные шапки настолько разрастались и увеличивались в размерах, что доходили до умеренных широт. Отступивший в период потепления ледник оставлял после себя материал, который принёс с собой. Так образовались ледниковые аккумулятивные равнины. К ним частично относится и Русская равнина, на которой мы живём.

За долгую геологическую историю условия накопления материала нередко менялись, поэтому учёным иногда трудно выделить какой-то основной преобладающий фактор в их формировании.

Эрозионные циклы

Учёные, изучающие жизнь рельефа, пытаются связать воедино время и процессы, происходящие на поверхности Земли. Как правило, рельеф испытывает несколько эрозионных циклов (от «юности» до «старости» - прим.. Стадия юности рельефа - это высокие горы и сильно расчленённый рельеф. Стадия дряхлости - практически разрушенные горы, превратившиеся в «почти равнину». Эта последняя стадия называется пенеплен (от лат. paene - почти, англ. plain - равнина) и является заключительной стадией жизни рельефа. За ней возможно возрождение рельефа, например поднятие, горообразование.

При образовании пенеплена поверхность снижается, разрушается

Например, Великие равнины в Северной Америке хотя и испытали формирующее влияние ледниковых покровов, но также частично перекрыты и аллювием крупных рек - Миссури, Арканзаса и др.

В жарких поясах Земли располагаются обширные пустыни - эоловые песчаные равнины. Основным фактором их формирования был ветер, перемещавший большие массы песка и переотлагавший их на выровненных пространствах (в Сахаре они называются «эрги»).

Равнины, образовавшиеся в результате общего снижения уровня поверхности из-за разрушения и выравнивания прежде неровного (например, горного) рельефа, называются денудационными. Среди плоскогорий и плато, сформировавшихся в результате этого длительного процесса, возвышаются останцовые одиночные горы. Таковы равнины в центре Австралии, Казахский мелкосопочник.

Над волнистыми поверхностями, сложенными гранитами, гнейсами, кварцитами и перекрытыми корами выветривания (продуктом выветривания и изменения пород - прим., поднимаются одиночные горные массивы. Если на поверхность выходят породы складчатого фундамента, денудационные равнины называются цокольными, а если горизонтальные слои осадочного чехла - пластовыми. То, что в Америке носит название Великих равнин, - наклонная пластовая равнина, протянувшаяся вдоль подножия Скалистых гор.

Внешние силы Земли разрушительно действуют на любую поверхность. Чем старше возраст рельефа, тем большее воздействие оказывают на неё ветры, вода, выветривание... За многие миллионы лет горы и холмы как бы «срезаются» с поверхности. И если бы выравнивание не сменялось поднятием и горообразованием, то вся поверхность нашей планеты представляла бы собой обширную равнину.

Общая тенденция к снижению поверхности, выполаживанию склонов, расширению долин, уменьшению контраста высот характерна для условий влажного климата умеренных широт. В жарких засушливых пустынных районах (например, в Африке) склоны останцовых гор не становятся более пологими, хотя и разрушаются на протяжении очень долгого времени. Постепенно они «отступают» параллельно самим себе, образуя подгорную равнину - педимент. Сливаясь, педименты формируют денудационные равнины - педиплены, как в Долине Монументов на плато Колорадо в Северной Америке.


Когда склоны гор отступают параллельно, образуется педиплен

Совокупностью неровностей всей земной поверхности принято называть рельефом Земли. Очевидно, что поверхность Земли нельзя назвать абсолютно ровной, и изучая рельеф, рассматривают такие природные образования, как горы и равнины.

Понятие рельефа Земли

В разных уголках планеты высота поверхности совершенно разная, перепады могут достигать несколько десятков километров. Рельеф Земли уникален тем, что его формирование продолжается и в нынешнее время.

Это происходит за счет столкновения литосферных плит, извержения вулканов и размывания горных пород дождями и реками. Процессы, которые формируют рельеф нашей планеты, разделяют на две категории – внешние и внутренние .

К внешним процессам относят деятельность ветров, текучих вод, ледников, воздействие растений и животных. Нельзя не упомянуть и деятельность человека, которая представляет собой антропогенную силу и активно воздействует на формирование земного рельефа.

Внутренние процессы называют эндогенными, они представлены опусканием и поднятием коры, движениями плит, землетрясениями и вулканизмом.

Равнины и горы

Одной из основных форм рельефа является равнина. Плоскогорье представляет собой равнина более 500 м, возвышенность – от 200 до 500 м, а низменность – до 200 м. Равнины и горы занимают 60% и 40 % земной поверхности.

Обширный участок суши с незначительными уклонами и колебаниями высоты – это равнина. Классифицируют равнины по абсолютной высоте: те, которые лежат ниже уровня моря – это Турфанская впадина 154 м, впадина Каттара 133 м, низменные равнины – Миссисипская, Амазонская, Туранская и Приатлантическая, нагорные – Таримская впадина, Великие равнины Северной Америки и плато Устюрт.

Также выделяют возвышенные равнины – это Рбу-эль-Хали и Большая пустыня Виктория. Равнина, т.е. ее поверхность, может быть вогнутой, наклонной, выпуклой и горизонтальной.

Есть и другие классификации: увалистые, ступенчатые, плоские, холмистые. Во многом внешний вид равнины зависит от ее истории строения и развития.

Значительная часть равнин сложена пластами осадочных пород большой мощности и приурочена к плитам молодых и древних платформ. Такие равнины называют пластовыми. Пример: Западно-Сибирская низменность.

Великая Китайская равнина, Индоганская и Кура-Араксинская – это аллювиальные равнины. Водно-ледниковыми равнинами являются предгорья Алтая, Альп и Кавказа, а ледниковыми – север России и Европы, а также север Северной Америки.

Казахский мелкопесочник, равнины Балтийского и Канадского щитов – это денудационные равнины. Яркими примерами плато, ровных поверхностей, которые ограниченным уступами, являются плато Декан, Устюрт и Колорадо.

Обширные, резко расчлененные и высоко поднятые над равнинами участки земной поверхности называются горами. Такие участки земли обладают резкими перепадами высоты и имеют складчато-глыбовую структуру.

Механическая или упругая волна - это процесс распространения колебаний в упругой среде. Например, вокруг колеблющейся струны или диффузора динамика начинает колебаться воздух - струна или динамик стали источниками звуковой волны.

Для возникновения механической волны необходимо выполнение двух условий - наличие источника волны (им может быть любое колеблющееся тело) и упругой среды (газа, жидкости, твердого вещества).

Выясним причину возникновения волны. Почему частицы среды, окружающие любое колеблющееся тело, тоже приходят в колебательное движение?

Простейшей моделью одномерной упругой среды является цепочка шариков, соединенных пружинками. Шарики - модели молекул, соединяющие их пружины моделируют силы взаимодействия между молекулами.

Допустим, первый шарик совершает колебания с частотой ω. Пружина 1-2 деформируется, в ней возникает сила упругости, меняющаяся с частотой ω. Под действием внешней периодически меняющейся силы второй шарик начинает совершать вынужденные колебания. Поскольку вынужденные колебания всегда происходят с частотой внешней вынуждающей силы, частота колебаний второго шарика будет совпадать с частотой колебаний первого. Однако вынужденные колебания второго шарика будут происходить с некоторым запаздыванием по фазе относительно внешней вынуждающей силы. Другими словами, второй шарик придет в колебательное движение несколько позже, чем первый шарик.

Колебания второго шарика вызовут периодически меняющуюся деформацию пружины 2-3, которая заставит колебаться третий шарик и т.д. Таким образом, все шарики в цепочке будут поочередно вовлекаться в колебательное движение с частотой колебаний первого шарика.

Очевидно, причиной распространения волны в упругой среде является наличие взаимодействия между молекулами. Частота колебания всех частиц в волне одинакова и совпадает с частотой колебаний источника волны.

По характеру колебаний частиц в волне волны делят на поперечные, продольные и поверхностные.

В продольной волне колебание частиц происходит вдоль направления распространения волны.

Распространение продольной волны связано с возникновением в среде деформации растяжения-сжатия. В растянутых участках среды наблюдается уменьшение плотности вещества - разрежение. В сжатых участках среды, наоборот, происходит увеличение плотности вещества -так называемое сгущение. По этой причине продольная волна представляет собой перемещение в пространстве областей сгущения и разрежения.

Деформация растяжения - сжатия может возникать в любой упругой среде, поэтому продольные волны могут распространяться в газах, жидкостях и твердых телах. Примером продольной волны является звук.


В поперечной волне частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.

Распространение поперечной волны связано с возникновением в среде деформации сдвига. Этот вид деформации может существовать только в твердых веществах, поэтому поперечные волны могут распространяться исключительно в твердых телах. Примером поперечной волны является сейсмическая S-волна.

Поверхностные волны возникают на границе раздела двух сред. Колеблющиеся частицы среды имеют как поперечную, перпендикулярную поверхности, так и продольную составляющие вектора смещения. Частицы среды описывают при своих колебаниях эллиптические траектории в плоскости, перпендикулярной поверхности и проходящей через направление распространения волны. Примером поверхностных волн являются волны на поверхности воды и сейсмические L - волны.

Волновым фронтом называют геометрическое место точек, до которых дошел волновой процесс. Форма волнового фронта может быть разной. Наиболее распространенными являются плоские, сферические и цилиндрические волны.

Обратите внимание - волновой фронт всегда располагается перпендикулярно направлению распространения волны! Все точки волнового фронта начнут колебаться в одной фазе .

Для характеристики волнового процесса вводят следующие величины:

1. Частота волны ν - это частота колебания всех частиц в волне.

2. Амплитуда волны А - это амплитуда колебания частиц в волне.

3. Скорость волны υ - это расстояние, на которое распространяется волновой процесс (возмущение) в единицу времени.

Обратите внимание - скорость волны и скорость колебания частиц в волне - это разные понятия! Скорость волны зависит от двух факторов: вида волны и среды, в которой волна распространяется.

Общая закономерность такова: скорость продольной волны в твердом веществе больше, чем в жидкостях, а скорость в жидкостях, в свою очередь, больше скорости волны в газах.

Понять физическую причину этой закономерности несложно. Причина распространения волны - взаимодействие молекул. Естественно, возмущение быстрее распространяется в той среде, где взаимодействие молекул более сильное.

В одной и той же среде закономерность другая - скорость продольной волны больше скорости поперечной волны.

Например, скорость продольной волны в твердом теле , где Е - модуль упругости (модуль Юнга) вещества, ρ - плотность вещества.

Скорость поперечной волны в твердом теле , где N - модуль сдвига. Поскольку для всех веществ , то . На отличии скоростей продольных и поперечных сейсмических волн основан один из методов определения расстояния до очага землетрясения.

Скорость поперечной волны в натянутом шнуре или струне определяется силой натяжения F и массой единицы длины μ:

4. Длина волны λ - минимальное расстояние между точками, которые колеблются одинаково.

Для волн, бегущих по поверхности воды, длина волны легко определяется как расстояние между двумя соседними горбами или соседними впадинами.

Для продольной волны длина волны может быть найдена как расстояние между двумя соседними сгущениями или разрежениями.

5. В процессе распространения волны участки среды вовлекаются в колебательный процесс. Колеблющаяся среда, во-первых, двигается, следовательно, обладает кинетической энергией. Во-вторых, среда, по которой бежит волна, деформирована, следовательно, обладает потенциальной энергией. Нетрудно видеть, что распространение волны связано с переносом энергии к невозбужденным участкам среды. Для характеристики процесса переноса энергии вводят интенсивность волны I .

С волнами любого происхождения при определённых условиях можно наблюдать четыре ниже перечисленных явления, которые мы рассмотрим на примере звуковых волн в воздухе и волн на поверхности воды.

Отражение волн. Проделаем опыт с генератором тока звуковой частоты, к которому подключён громкоговоритель (динамик), как показано на рис. «а». Мы услышим свистящий звук. На другом конце стола поставим микрофон, соединённый с осциллографом. Поскольку на экране возникает синусоида с малой амплитудой, значит, микрофон воспринимает слабый звук.

Расположим теперь сверху над столом доску, как показано на рис.«б». Поскольку амплитуда на экране осциллографа возросла, значит, звук, доходящий до микрофона, стал громче. Этот и многие другие опыты позволяют утверждать, что механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

Преломление волн. Обратимся к рисунку, где изображены волны, набегающие на прибрежную мель (вид сверху). Серо-жёлтым цветом изображён песчаный берег, а голубым – глубокая часть моря. Между ними есть песчаная мель – мелководье.

Волны, бегущие по глубокой воде, распространяются в направлении красной стрелки. В месте набегания на мель волна преломляется, то есть изменяет направление распространения. Поэтому синяя стрелка, указывающая новое направление распространения волны, расположена иначе.

Это и многие другие наблюдения показывают, что механические волны любого происхождения могут преломляться при изменении условий распространения, например, на границе раздела двух сред.

Дифракция волн. В переводе с латинского «дифрактус» означает «разломанный». В физике дифракцией называется отклонение волн от прямолинейного распространения в одной и той же среде, приводящее к огибанию ими препятствий.

Взгляните теперь на другой рисунок волн на поверхности моря (вид с берега). Волны, бегущие к нам издалека, заслоняются большой скалой слева, но при этом частично огибают её. Скала меньших размеров справа и вовсе не является преградой для волн: они полностью её огибают, распространяясь в прежнем направлении.

Опыты показывают, что дифракция наиболее отчётливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было.

Интерференция волн. Мы рассмотрели явления, связанные с распространением одной волны: отражение, преломление и дифракцию. Рассмотрим теперь распространение с наложением друг на друга двух или более волн – явление интерференции (от лат. «интер» – взаимно и «ферио» – ударяю). Изучим это явление на опыте.

К генератору тока звуковой частоты присоединим два динамика, соединённые параллельно. Приёмником звука, как и в первом опыте, будет микрофон, подключённый к осциллографу.

Начнём двигать микрофон вправо. Осциллограф покажет, что звук становится то слабее, то сильнее, несмотря на то, что микрофон удаляется от динамиков. Вернём микрофон на среднюю линию между динамиками, а затем будем двигать его влево, снова удаляя от динамиков. Осциллограф вновь покажет нам то ослабление, то усиление звука.

Этот и многие другие опыты показывают, что в пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция может приводить к возникновению чередующихся областей с усилением и ослаблением колебаний.