橫波和縱波
波就是振動的傳播.當波從波源傳播出去,就是介質的事.
在同種均勻介質中,振動的傳播是勻速直線運動,這種運動,用波速V表征.
對于勻速直線運動,波速V不變（大小不變,方向不變）,所以波速V是一個不變的量.
振動是另一回事,介質分子并沒有隨著波的傳播而遷移,介質分子的永不停息的無規(guī)則的運動,是熱運動,其平均速度為零.
所以,在研究振動和波的問題上,為了使問題盡量簡化,我們假定所有的介質分子都是靜止的.它們每一個個體的運動,只是簡諧振動.
我們知道,作簡諧振動的質點的運動速度,時時刻刻都是變化的.如果振動方程是
x＝Asinωt
那么,速度就是v＝ωAcosωt,
時間t變化,振速v隨時間而發(fā)生變化.
當振動在介質中傳播時,有兩種形式,一種叫做P波,又叫做縱波.這種波的特點,就是振速v‖V波速.
另一種叫做S波,又叫橫波.這種波的特點,就是振速v⊥V波速.
中學生很喜歡發(fā)問,他們會問：如果振速v與波速V 既不在同一直線上,又不互相垂直呢?
這根本不是問題.我們可以認為,這樣的波源傳播出來的波,含有兩列波,一列是縱波,一列是橫波.
它們在同一種介質中的傳播速度V不同,縱波的速度比橫波的速度大得多.所以,在波從波源中傳播出來之后,它們就自動分開了.
中學生很喜歡發(fā)問,他們會繼續(xù)問：為什么縱波和橫波的波速會不相同的呢?
這時我會反問：什么是縱波?什么是橫波?如果最基本的問題都沒有搞清楚,卻不斷地追問下去,最后的結果,除了把自己搞糊涂,沒有任何好處.
不斷追問的結果,一定是無解的,一定是把自己搞糊涂的.例如：
人為什么吃飯?因為人要活著.人為什么要活著?因為人要做事.人為什么要做事?……沒完沒了的追問,是很恐怖的事.特別是,還可以有無數(shù)版本,例如：
人為什么吃飯?因為人要進行新陳代謝.人為什么要進行新陳代謝?所有有生命的物體都要進行新陳代謝.人為什么要有生命?……沒完沒了的追問,恐怖不恐怖?
我們如果對分子運動論很熟悉,就會知道,既然我們研究的介質分子是靜止的、均勻分布的,那么,對于縱波來說,當振子向前運動時,它將占據(jù)前方原來均勻分布介質分子的空間,把原來的介質分子壓縮在一個小空間中,形成一個密部.
密部的分子之間的距離變小,呈現(xiàn)的分子力是斥力.斥力使分子向周圍作離心運動.離心運動的結果,使原來是密部的小空間變成疏部,而周圍的空間變成新的密部.
那么,宏觀地看,相當于原來密部變成疏部,而且密部傳播出去.
那么,新的疏部也傳播出去.
于是,宏觀地看,振子（波源）不斷向外傳播出密疏相間的振動,這就是縱波.
顯然,分子力的斥力較為強大,而且作用范圍較近,因此,振動傳播出去的速度較快.所以,縱波的傳播速度較快.
不僅如此,這一敘述對所有介質都適用.所以,縱波可以在固體、液體、氣體的內部傳播,也可以在固體的表面?zhèn)鞑?卻不可以在液體和氣體的分界面上傳播.
中學生一定會追問?為什么縱波不可以在液體和氣體的分界面上傳播?
在液體和氣體的分界面上,液體的表面層分子比較稀薄,形成一個呈現(xiàn)表面張力的特殊層.這一層如果出現(xiàn)密部和疏部,意味著液體的表面粉碎.
表面張力不允許液體表面粉碎,所以液體表面不能傳播縱波.
那么橫波呢?對于波速V,介質分子是橫向運動的,它們之間的分子力主要為分子引力,力較小,作用范圍又較大,所以振動的傳播比較慢.
氣體分子之間沒有橫向力,液體內部的分子之間也沒有橫向力,所以,橫波不能在氣體中傳播,也不能在液體中傳播.橫波可以在固體內部、固體表面、液體和氣體的分界面上傳播.
當?shù)卣鸢l(fā)生時,強大的能量在震中釋放出來,造成破壞.例如,四川汶川地震播放的能量,相當于256顆原子彈同時爆炸.這樣巨大的能量,有部分以地震波的形式,傳播出去.
其中,當然有縱波和橫波.
由于縱波可以在地球內部的所有介質中傳播,所以,傳播到臺灣、北京等遙遠的地方的地震波,主要是縱波.縱波在建筑物中引發(fā)的震感,就是水平晃動.樓層越高,感覺越明顯.
橫波呢?橫波在地球內部傳播時,遇到地下水、或者河流、海洋,就會"過不去".橫波在震中附近的建筑物中引發(fā)的震感,就是豎直巔波.
對于抗震級數(shù)不夠的建筑物,豎直巔波會直接破壞建筑的內部結構,破壞性比縱波強烈得多.
雖然,震中之外的地方,橫波比縱波來得慢,它震松了建筑結構,并沒有造成坍塌.可是等下一個縱波到來時,已經震松了的建筑結構,如何能夠經受水平的晃動?這就是余震比主震級數(shù)低,破壞力卻更大的主要原因.
通常,主震到余震之間有一定的時間,如果能夠抓緊這段時間,撤離建筑物,到空曠的地方去,那么,需要挖掘救助的機會,就會大大降低.