波動與聲音

機械波

往池塘裡丟一顆小石子,漣漪一圈圈向外擴散,但水本身並沒有真的流到岸邊,漂在水面的軟木塞只是在原地上下浮動。機械波就是一種在物質(介質)中傳遞的擾動,它把能量從一處帶到另一處,而物質本身只在原地附近晃動。它回答的問題是:一個聲音、一道漣漪,怎麼能橫越整個房間,卻沒有任何物質真的走完全程?

更精確地說,機械波是一種在介質(固體、液體或氣體)中傳播的擾動,靠介質的粒子推拉相鄰的粒子而前進。每個粒子只在自己的平衡位置附近振盪,而這個振盪的形態則以波速 v 向前移動。波帶走的是能量與動量,而不是介質本身,所以沒有物質的淨搬運。它必須有介質:沒有介質就沒有機械波(真空中作響的鈴鐺敲不出聲音)。波速由介質的硬度與慣性決定,例如繩上的波速 v = sqrt(T/mu),其中 T 是張力,mu 是單位長度的質量。

聲音、海浪、繩上的波與地震波(seismic wave)都是機械波。一個誠實的對照:光和其他電磁波並不是機械波,它們能在真空中傳遞能量,完全不需要介質。所以「波」是比「機械波」更廣的概念。

漣漪在池面向外擴散,但漂浮的葉子只在原地上下浮動,並沒有被帶到對岸。這正是關鍵線索:水並沒有隨波前進,前進的只有那個擾動。

波搬運的是能量,不是物質。

機械波需要介質,無法在真空中傳遞。光可以,這就是為什麼我們看得見太陽,卻永遠聽不見它。

又稱
elastic wave彈性波