题目

横波和纵波有什么区别?

提问时间：2020-11-25

答案

横波和纵波
波就是振动的传播.当波从波源传播出去,就是介质的事.
在同种均匀介质中,振动的传播是匀速直线运动,这种运动,用波速V表征.
对于匀速直线运动,波速V不变（大小不变,方向不变）,所以波速V是一个不变的量.
振动是另一回事,介质分子并没有随着波的传播而迁移,介质分子的永不停息的无规则的运动,是热运动,其平均速度为零.
所以,在研究振动和波的问题上,为了使问题尽量简化,我们假定所有的介质分子都是静止的.它们每一个个体的运动,只是简谐振动.
我们知道,作简谐振动的质点的运动速度,时时刻刻都是变化的.如果振动方程是
x＝Asinωt
那么,速度就是v＝ωAcosωt,
时间t变化,振速v随时间而发生变化.
当振动在介质中传播时,有两种形式,一种叫做P波,又叫做纵波.这种波的特点,就是振速v‖V波速.
另一种叫做S波,又叫横波.这种波的特点,就是振速v⊥V波速.
中学生很喜欢发问,他们会问：如果振速v与波速V 既不在同一直线上,又不互相垂直呢?
这根本不是问题.我们可以认为,这样的波源传播出来的波,含有两列波,一列是纵波,一列是横波.
它们在同一种介质中的传播速度V不同,纵波的速度比横波的速度大得多.所以,在波从波源中传播出来之后,它们就自动分开了.
中学生很喜欢发问,他们会继续问：为什么纵波和横波的波速会不相同的呢?
这时我会反问：什么是纵波?什么是横波?如果最基本的问题都没有搞清楚,却不断地追问下去,最后的结果,除了把自己搞糊涂,没有任何好处.
不断追问的结果,一定是无解的,一定是把自己搞糊涂的.例如：
人为什么吃饭?因为人要活着.人为什么要活着?因为人要做事.人为什么要做事?……没完没了的追问,是很恐怖的事.特别是,还可以有无数版本,例如：
人为什么吃饭?因为人要进行新陈代谢.人为什么要进行新陈代谢?所有有生命的物体都要进行新陈代谢.人为什么要有生命?……没完没了的追问,恐怖不恐怖?
我们如果对分子运动论很熟悉,就会知道,既然我们研究的介质分子是静止的、均匀分布的,那么,对于纵波来说,当振子向前运动时,它将占据前方原来均匀分布介质分子的空间,把原来的介质分子压缩在一个小空间中,形成一个密部.
密部的分子之间的距离变小,呈现的分子力是斥力.斥力使分子向周围作离心运动.离心运动的结果,使原来是密部的小空间变成疏部,而周围的空间变成新的密部.
那么,宏观地看,相当于原来密部变成疏部,而且密部传播出去.
那么,新的疏部也传播出去.
于是,宏观地看,振子（波源）不断向外传播出密疏相间的振动,这就是纵波.
显然,分子力的斥力较为强大,而且作用范围较近,因此,振动传播出去的速度较快.所以,纵波的传播速度较快.
不仅如此,这一叙述对所有介质都适用.所以,纵波可以在固体、液体、气体的内部传播,也可以在固体的表面传播,却不可以在液体和气体的分界面上传播.
中学生一定会追问?为什么纵波不可以在液体和气体的分界面上传播?
在液体和气体的分界面上,液体的表面层分子比较稀薄,形成一个呈现表面张力的特殊层.这一层如果出现密部和疏部,意味着液体的表面粉碎.
表面张力不允许液体表面粉碎,所以液体表面不能传播纵波.
那么横波呢?对于波速V,介质分子是横向运动的,它们之间的分子力主要为分子引力,力较小,作用范围又较大,所以振动的传播比较慢.
气体分子之间没有横向力,液体内部的分子之间也没有横向力,所以,横波不能在气体中传播,也不能在液体中传播.横波可以在固体内部、固体表面、液体和气体的分界面上传播.
当地震发生时,强大的能量在震中释放出来,造成破坏.例如,四川汶川地震播放的能量,相当于256颗原子弹同时爆炸.这样巨大的能量,有部分以地震波的形式,传播出去.
其中,当然有纵波和横波.
由于纵波可以在地球内部的所有介质中传播,所以,传播到台湾、北京等遥远的地方的地震波,主要是纵波.纵波在建筑物中引发的震感,就是水平晃动.楼层越高,感觉越明显.
横波呢?横波在地球内部传播时,遇到地下水、或者河流、海洋,就会"过不去".横波在震中附近的建筑物中引发的震感,就是竖直巅波.
对于抗震级数不够的建筑物,竖直巅波会直接破坏建筑的内部结构,破坏性比纵波强烈得多.
虽然,震中之外的地方,横波比纵波来得慢,它震松了建筑结构,并没有造成坍塌.可是等下一个纵波到来时,已经震松了的建筑结构,如何能够经受水平的晃动?这就是余震比主震级数低,破坏力却更大的主要原因.
通常,主震到余震之间有一定的时间,如果能够抓紧这段时间,撤离建筑物,到空旷的地方去,那么,需要挖掘救助的机会,就会大大降低.