Viļņi

Šis raksts ir par svārstību izplatīšanos laikā un telpā vispārīgi. Par viļņiem uz ūdens virsmas skatīt rakstu ūdens viļņi.

Viļņi ir svārstības, kuras izplatās laikā un telpā, pārnesot enerģiju. Viļņu pamatgrupas ir mehāniskie viļņi, elektromagnētiskie viļņi, de Brojī viļņi, gravitācijas viļņi. Viļņi izplata enerģiju no viena punkta uz otru, parasti tikpat kā nemaz nepārvietojot pašu vielu.

Viļņi uz ūdens virsmas.

Viļņu veidi

Viļņus var iedalīt pēc dažādām pazīmēm. Pēc viļņu dabas izšķir šādus viļņus:

• mehāniskie viļņi
  • skaņas viļņi
  • ūdens viļņi
  • seismiskie viļņi
• elektromagnētiskie viļņi
  • radioviļņi
  • mikroviļņi
  • infrasarkanā starojuma viļņi
  • gaismas viļņi
  • ultravioletais starojums
  • rentgenstarojums
  • gamma starojums
• de Brojī viļņi
• gravitācijas viļņi.

Pēc iespējamajiem izplatīšanās virzieniem viļņus iedala viendimensionālajos (izplatās vienā noteiktā virzienā), divdimensionālajos (izplatās dažādos virzienos pa noteiktu virsmu), trīsdimensionālajos (izplatās visos telpas virzienos) viļņos.

Pēc viļņu frontes veida izdala plakanus viļņus (to fronte ir plakne) un sfēriskus viļņus (fronte — sfēra).

Pēc svārstību virziena attiecībā pret viļņu izplatīšanās virzienu izšķirami šķērsviļņi, kuros svārstība notiek perpendikulāri (šķērsām) viļņu izplatīšanās virzienam, un garenviļņi, kuros svārstības norisinās viļņu izplatīšanās virzienā (gareniski).

Izskatot svārstību raksturu, no pārējiem viļņiem atsevišķi nošķir viļņu impulsu, kas ir īslaicīga un neperiodiska vides vai lauka perturbācija, un viļņu paketi — ierobežotu un periodisku svārstību skaitu.

Pēc enerģijas pārneses tiek izdalīti skrejviļņi, kuri pārnes enerģiju, bet nepārnes vielu, un stāvviļņi, kuri nepārnes ne vielu, ne arī enerģiju.

Mehāniskie viļņi

Izplatoties vilnim, pati viela nepārvietojas, taču vilnis pārnes vides deformāciju un viļņa avota atdoto deformācijas enerģiju

Mehāniskos viļņus rada viļņa avots, svārstībā esošs ķermenis, un nodrošina elastības spēki, šie viļņi var izplatīties tikai vidē (ne vakuumā). Šie spēki veido saiti starp atsevišķām ķermeņa daļām. Piemēram, uz ūdens virsmas viļņi rodas smaguma spēka un virsmas spraiguma spēka iedarbībā.

Mehānisko viļņu kustības galvenās īpatnības vislabāk ir saskatāmas viļņiem, kuri veidojas uz ūdens virsmas. Viļņi veļas uz priekšu ar ieapaļiem vāliem. Attālumi starp vāliem ir aptuveni vienādi. Taču, ja ūdenī iemet kādu vieglu priekšmetu, tad vilnis to nenes uz priekšu. Šis priekšmets sāk svārstīties uz augšu un uz leju, palikdami gandrīz uz vietas.

Vilnim izplatoties, pārvietojas nevis viela, bet gan svārstībā esošās vides noteiktais stāvoklis.

Šķērsvilnis jeb transversāls vilnis ir vilnis, kurā daļiņas svārstās perpendikulāri svārstību izplatīšanās virzienam, šāda veida viļņi izplatās cietvielās un pa šķidrumu virsmu. Garenvilnis jeb longitudinālais vilnis ir vilnis, kurā daļiņas svārstās paralēli svārstību izplatīšanās virzienam, šī veida viļņi izplatās cietās, šķidrās un gāzveida vielās.

Viļņa fronte ir virsma, uz kuras visām vides daļinām ir vienāda svārstību fāze. Sākotnējā fronte veidojas, tiekot iesvārstītām tām vides daļiņām, kas atrodas tiešā kontaktā ar viļņu avotu. Svārstību kustībā tiekot iesaistītām tālākām daļiņām, viļņa fronte pārvietojas telpā. Ja viļņu avots ir nekustīgs un izplatības vide ir viendabīga (homogēna), tad viļņa frontei ir avota virsmas simetrija. Attālumu, ko laika vienībā veic viļņa jebkura fronte, sauc par viļņa fāzes ātrumu. Fāzes ātruma vektora ${\vec {v}}={\frac {\Delta {\vec {r}}}{\Delta t}}$ virziens sakrīt ar viļņa izplatīšanās virzienu, kurš ir perpendikulārs viļņa frontei.

Viļņa izplatīšanās ātruma formulas

Vilnis	Cietvielās	Šķidrumos	Gāzēs
Šķērsvilnis	$v_{\perp }={\sqrt {\frac {G}{\rho }}}$	—	—
Garenvilnis	$v_{\parallel }={\sqrt {\frac {E}{\rho }}}$	$v_{\parallel }={\sqrt {\frac {k}{\rho }}}$	$v_{\parallel }={\sqrt {\frac {\chi p}{\rho }}}$
$G$ — bīdes modulis, $E$ — elastības modulis, $\rho$ — blīvums, $k$ — adiabātiskās saspiežamības koeficients, $p$ — spiediens, $\chi ={\frac {c_{p}}{c_{V}}}$

Ja viļņa avota svārstību frekvence ir pastāvīga ($\nu =const$), tad vidē izplatās monohromatisks vilnis, kurā jebkuru telpas punktu ik pēc vienādiem laika intervāliem (periodiem $T={\frac {1}{\nu }}$) šķērso viļņa fronte, kurai vides daļiņu virziens un fāze (novirze no līdzsvara stāvokļa) atkārtojas. Viļņa garums $\lambda$ ir attālums, kuru viena svārstību perioda laikā veic viļņa fronte. Ja viļņa avots un vide, kurā izplatās vilnis, atrodas savstarpējā miera stāvoklī, $\lambda \nu =v$, kur $v$ ir viļņa izplatīšanās ātrums.