最近天氣熱起來了，燥熱難耐，搞得小編有一點(diǎn)聲音就無法安心學(xué)習(xí)（暴躁）。

太熱了

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(jī)一方面是因?yàn)檫€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）

以失敗而告終的小編

什么是波？

What is wave？

那么什么是波呢？

一種波動(dòng)

其實(shí)在物理學(xué)和數(shù)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域中，波是由于一個(gè)或多個(gè)場的干擾，從而使場的值圍繞穩(wěn)定的平衡值（靜止值）反復(fù)振蕩的結(jié)果。[1] 波可以將能量或者信息從一個(gè)位置傳輸?shù)搅硪粋€(gè)位置。

 

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

上課鈴聲響起

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

 

熟悉的演示工具—音叉

并不是所有波的傳播都需要介質(zhì)，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(chǎn)生變化的電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，進(jìn)而變化的磁場產(chǎn)生電場。感應(yīng)電場與磁場之間的這種相互作用會(huì)在空間上導(dǎo)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]

電磁波頻譜圖

逐漸普及的無線充電技術(shù)就是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理。由兩個(gè)分別位于充電器和手機(jī)中的感應(yīng)線圈組成，當(dāng)打開充電器時(shí)，交流電流通過充電器中的初級線圈，產(chǎn)生變化的磁場，當(dāng)手機(jī)靠近充電器時(shí)，手機(jī)中的次級線圈就會(huì)產(chǎn)生電流，從而達(dá)到充電的目的。[3]

無線充電

還有其他類型的波。比如：在引力場中根據(jù)廣義相對論傳播擾動(dòng)的引力波、結(jié)合了機(jī)械變形和電磁場效應(yīng)的等離子波、熱擴(kuò)散波和反應(yīng)擴(kuò)散波等等。

?

引力波?

波的簡單分類

Simple classification of waves

一般會(huì)將波的振動(dòng)方向與傳播方向之間的關(guān)系將波分為橫波與縱波。

振動(dòng)方向垂直于波傳播方向的波叫橫波。一個(gè)簡單例子就是在薄膜上產(chǎn)生的波。

薄膜上的橫波 來源：維基百科

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

電磁波 來源：維基百科

縱波是介質(zhì)的位移與波的傳播方向相同或者相反的波。機(jī)械縱波有時(shí)候也稱為壓縮波。因?yàn)樗鼈冊诖┻^介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓縮與稀疏。最常見的縱波就是聲波，靠介質(zhì)分子的前后振蕩向前傳播。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(diǎn)的相對振幅發(fā)生變化，則稱該波為行波。[1] 機(jī)械性的行波是介質(zhì)中的單個(gè)原子或者分子在其平衡位置附近振蕩，然后會(huì)與相鄰的介質(zhì)粒子發(fā)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(zhì)中傳輸，而不需要傳輸任何物質(zhì)。[6]

?

行波 來源：維基百科?

?如果場中不同點(diǎn)處的相對振蕩振幅保持恒定，換句話說也就是，波在時(shí)間上振蕩，但是其峰值幅度分布不隨空間移動(dòng)，則稱該波為駐波。[1] 振幅最小的位置成為波節(jié)，振幅最大的位置稱為波腹。這種現(xiàn)象可能是由于介質(zhì)沿與波相反的方向移動(dòng)發(fā)生的，或者是由于兩個(gè)沿相反反向傳播的行波的疊加產(chǎn)生的。

兩個(gè)反向傳播的行波形成駐波 來源：tumblr

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(gè)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(yīng)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。

火箭是由于噴射氣體而產(chǎn)生推力運(yùn)動(dòng)的，但是它們的擴(kuò)散速度并沒有火箭快。當(dāng)氣體過度膨脹時(shí)，與外部大氣相比，排出的氣體壓強(qiáng)較低，導(dǎo)致排氣被向內(nèi)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(jié)果，氣流再次向外膨脹以減小壓力。

波浪結(jié)構(gòu)會(huì)在過大的流動(dòng)中產(chǎn)生馬赫環(huán) 來源：aerospaceweb

此過程也可能延申的比較遠(yuǎn)，導(dǎo)致內(nèi)部壓力再次降至低于環(huán)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(shí)，內(nèi)部壓力和外部壓力之間的差都會(huì)減小。隨著時(shí)間的流逝，壓縮和膨脹過程會(huì)不斷重復(fù)，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(huán)的原因。[7]

噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的馬赫環(huán)

?

馬赫環(huán)

水下射擊?

?

鞭炮在水下爆炸（上方與下方的氣泡）

這些現(xiàn)象都是由于駐波產(chǎn)生的結(jié)果，這導(dǎo)致在空間上形成一系列的節(jié)點(diǎn)與波腹。由于牛頓第三定律，施加的推動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相反的力，從而形成加壓（波腹）和減壓（波節(jié)）區(qū)域。

原來，比較“普通”的駐波也可以這么有趣，那是不是還有什么“簡單的”知識(shí)就可以解釋的更加有趣的現(xiàn)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

其余圖片來源于GIPHY

參考文獻(xiàn)：

[1] wave-維基百科  

[2] Electromagnetic_wave-維基百科  

[3] Wireless Inductive Charging-Darian Brooks

[4] Transverse wave-維基百科

[5] Longitudinal wave-britannica

[6] Traveling waves-田納西大學(xué)物理系

[7] Shock Diamonds and Mach Disks-aerospaceweb