На рис. 8.1 показано рух частинок при поширенні в середовищі поперечної хвилі і розташування частинок у хвилі в чотири фіксованих моментів часу. Номерами 1, 2 і т.д. позначені частки, віддалені один від одного на відстань, яку проходить хвилею за чверть періоду коливань, що здійснюються частками. У момент часу, прийнятий за нульовий, хвиля, поширюючись вздовж осі зліва направо, досягла частки 1, внаслідок чого частка початку зміщуватися з положення рівноваги вгору, тягнучи за собою наступні частинки. Через чверть періоду частка 1 досягає крайнього верхнього положення; одночасно починає зміщуватися з положення рівноваги частка 2. Після ще чверті періоду перша частка буде проходити положення рівноваги, рухаючись в напрямку зверху вниз, друга частка досягне крайнього верхнього положення, а третя частка почне зміщуватися вгору з положення рівноваги. У момент часу, рівний , Перша частка закінчить повне коливання і буде знаходитися в такому ж стані руху, як і в початковий момент. Хвиля до моменту часу досягне частинки 5.

На рис. 8.2 показано рух частинок при поширенні в середовищі поздовжньої хвилі. Всі міркування, що стосуються поведінки часток в поперечної хвилі, можуть бути віднесені і до даного випадку з заміною зсувів вгору і вниз зміщеннями вправо і вліво. З рис. 8.2 видно, що при поширенні поздовжньої хвилі в середовищі створюються чергуються згущення і розрідження частинок, що переміщаються в напрямку поширення хвилі зі швидкістю .

Тіла, які впливають на середу, викликаючи коливання, називаються джерелами хвиль. Поширення пружних хвиль не пов'язане з перенесенням речовини, але хвилі переносять енергію, якої забезпечує хвильовий процес джерело коливань.

Геометричне місце точок, до яких доходять обурення до даного моменту часу, називається фронтом хвилі. Тобто фронт хвилі являє собою ту поверхню, яка відокремлює частину простору, уже залученого в хвильової процес, від області, яку обурення ще не досягли.

Геометричне місце точок, хто вагається в однакових фазах, називається хвильової поверхнею. Хвильову поверхню можна провести через будь-яку точку простору, охопленого хвильовим процесом. Хвильові поверхні можуть мати будь-яку форму. У найпростіших випадках вони мають форму площині або сфери. Відповідно хвиля в цих випадках називається плоскої або сферичної. У плоскій хвилі хвильові поверхні являють собою безліч паралельних один одному площин; в сферичної хвилі - безліч концентричних сфер.

Відстань, на яке поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду коливань частинок середовища, називається довжиною хвилі. Очевидно, що , де - швидкість поширення хвилі.

На рис. 8.3, виконаним за допомогою комп'ютерної графіки, наведена модель поширення поперечної хвилі на воді від точкового джерела. Кожна частка робить гармонійні коливання біля положення рівноваги.

Мал. 8.3. Поширення поперечної хвилі від точкового джерела коливань

Приклади хвильових процесів

Землетруси - коливання Землі, викликані раптовими змінами в стані надр планети. Ці коливання являють собою пружні хвилі, що поширюються з високою швидкістю в товщі гірських порід. Найбільш сильні землетруси іноді відчуваються на відстанях більше 1500 км від вогнища і можуть бути зареєстровані сейсмографами (спеціальними високочутливими приладами) навіть у протилежній півкулі. Район, де зароджуються коливання, називається вогнищем землетрусу, а його проекція на поверхню Землі - епіцентром землетрусу. Вогнища більшості землетрусів лежать у земній корі на глибинах не більше 16 км, проте в деяких районах глибини вогнищ сягають 700 км. Щодня відбуваються тисячі землетрусів, але лише деякі з них відчуваються людиною.

Коливання, що поширюються з вогнища землетрусу, являють собою пружні хвилі, характер і швидкість поширення яких залежать від пружних властивостей і щільності порід. Землетруси є джерелами так званих сейсмічних хвиль, що поширюються в земній корі у вигляді як поздовжніх, так і поперечних хвиль. Першими на реєструючу станцію приходять поздовжні хвилі, потім - поперечні.

Цунамі - це величезні хвилі, що виникають із-за струсу води в океані або іншому водоймищі. Майже всі цунамі відбуваються в результаті сильного підводного землетрусу. При землетрусі під водою утворюється вертикальна тріщина, і частина дна опускається. Дно раптово перестає підтримувати стовп води, що лежить над ним. Поверхня води спадає на коливальний рух по вертикалі, прагнучи повернутися до початкового рівня - середнього рівня моря - і породжує серію хвиль.

Великі підводні вулканічні виверження мають такий же ефект, що і землетруси. При сильних вулканічних вибухах утворюються кальдери, які моментально заповнюються водою, в результаті чого виникає довга і невисока хвиля. Класичний приклад - цунамі, що утворилося після виверження Кракатау в 1883 р Величезні цунамі від вулкана Кракатау спостерігалися в гаванях всього світу і знищили в цілому 5000 кораблів, загинуло 36 тисяч осіб.

У наше століття атомної енергії у людини в руках з'явився засіб викликати з власної волі струсу, раніше доступні лише природі. У 1946 р США справили в морській лагуні глибиною 60 м підводний атомний вибух з тротиловим еквівалентом 20 тис. Тонн. Виникла при цьому хвиля на відстані 300 м від вибуху піднялася на висоту 28,6 м, а в 6,5 км від епіцентру ще досягала 1,8 м.

Падіння метеорита або астероїда також може викликати величезне цунамі.