Создание программы для моделирования движения волны

Abstract

Волны - одно из наиболее фундаментальных и значимых понятий окружающего нас физического мира. Одна из основных характеристик волны - частота n. Волны бывают продольные, когда колебания происходят вдоль линии распространения волны, и поперечные, когда колебания происходят поперек этой линии. Продольные волны могут распространяться исключительно в среде, тогда как поперечные - и в вакууме. Звук - продольные колебания упругой среды. Многие процессы являются преобразованием одного вида волн в другие: запись музыки на магнитную ленту - преобразование звуковых колебаний в электромагнитные с последующей их фиксацией при помощи явления намагничивания, воспроизведение музыки с магнитного носителя - обратный процесс. Не менее часто приходится сталкиваться с преобразованием волн одной частоты в волны другой частоты. Практическое значение волн сложно переоценить. Но кроме этого, волновые явления лежат в основе существования физического мира. Вся материя делится на вещество, состоящее из элементарных частиц - электронов, протонов и нейтронов и поля, осуществляющие взаимодействия между частицами вещества. На данный момент различают 4 вида полей - электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое ядерные. Есть сведения о том, что электрическое и магнитное поле могут существовать независимо друг от друга и имеют различную природу. На микроскопическом масштабе невозможно достоверно определить, чем является материя - волной или частицей. Например, свет при распространении в пространстве ведет себя как волна (явления отражения, дифракции, интерференции), при контакте же с большим количеством конденсированного вещества - как поток частиц (явление фотоэффекта). Элементарные частицы при столкновении могут аннигилировать с выделением энергии - электромагнитного излучения определенной частоты. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга в пределах атома невозможно одновременно точно определить местоположение и импульс электрона. Он ведет себя подобно волне, распространяющейся внутри сферы с радиусом, равным радиусу атома. С другой стороны, на больших масштабах все конденсированное вещество состоит из элементарных частиц, и они ведут себя, как и положено частицам. Природа повсюду использует волновые процессы. Волны, возникающие от удара, распространяются, преломляются, отражаются и т.д. по воздуху, воде и твердым телам. При ударе по упругому телу (например, стволу пушки) в нем многократно отражаясь и преломляясь, побегут с большими скоростями упругие волны. В глубине тела будут распространяться так называемые объемные волны, которые представляют особый для нас интерес. Вблизи же поверхности распространяются поверхностные волны. Простейшим видом объемных волн являются плоские волны. Плоские волны делятся на продольные и поперечные. В продольной волне или волне расширения - сжатия частицы сжимаются и растягиваются, двигаясь вдоль распространения волны. В поперечных волнах, или волнах искажения частицы среды перемещаются поперек направления движения волны, испытывая только деформации сдвига. При этом искажается только их форма, но объем не меняется. Характерно, что скорости объемных волн не зависят ни от амплитуды, ни от частоты волны. Значит, любые сигналы по объему твердого тела передаются без затухания и изменения формы.