Bez fal nie byłoby niczego. Żadnego ciepła, światła, dźwięku. Nawet żadnego ruchu. Ani jednej rzeczy.
Ponieważ fale nie są tylko abstrakcyjnym pojęciem naukowym – ani czymś, co można zobaczyć tylko na powierzchni morza. Są dosłownie wszędzie i o każdej porze.
Fale, najprościej rzecz ujmując, to zaburzenia lub zmiany w ośrodku, które umożliwiają przenoszenie energii. Bez fal energia nie może nic zrobić. Natomiast bez energii fale nie byłyby w stanie wywołać zaburzeń ani przemieszczeń i dlatego nie byłoby ich wcale.
Zjawiska, które nazywamy falami, są zatem cechą charakterystyczną naszego wszechświata. Pomagają wyjaśnić wiele zjawisk fizycznych – od światła, które jest rodzajem fali elektromagnetycznej, po dźwięk, który jest jedną z wielu fal mechanicznych. Fale radiowe, promienie rentgenowskie, ciepło – nie wspominając o falach oceanicznych, ruchu skakanki i wibracji struny gitary – to wszystko skutki tego samego zjawiska.
Nie bądź więc jedną z tych osób, które uważają, że fale nie mają nic wspólnego z ich życiem – lub że nauka jest „nudna”. Ponieważ, bez fal nie moglibyśmy istnieć. Jeśli chcesz pogłębić swoją wiedzę, sprawdź korepetycje z fizyki swojej okolicy. Uczniowie preferujący naukę zdalną mogą umawiać się na korepetycje fizyka online.
Zamiast tego przedstawiamy przewodnik po najważniejszych aspektach fal i ich zachowania – od ich właściwości fizycznych po niektóre technologie, w których są wykorzystywane.
Jakie właściwości mają fale?
Fale to zaburzenia w ośrodku, którym towarzyszy transfer energii. To ważna rzecz, o której należy pamiętać: fale przenoszą energię, a nie masę.
Wyobraź sobie tory kolejowe. Gdybyś przyłożył ucho do torów kolejowych, byłbyś w stanie usłyszeć pociąg z dużej odległości. Jednak w tym przypadku energia, która jest przenoszona to sam dźwięk: nie odczuwasz przemieszczenia cząsteczek masy innymi zmysłami.
To samo dzieje się ze wszystkimi rodzajami fal: nie masa jest przenoszona, lecz energia.
Jednakże fale podczas rozchodzenia się przemieszczają masę. A sposób, w jaki przemieszczają tę masę, decyduje o tym, czy zostaną zakwalifikowane jako fala poprzeczna, czy fala podłużna. W pierwszym przypadku masa przemieszcza się pod kątem prostopadłym do kierunku ruchu energii, w drugim przypadku przemieszczenie jest równoległe do tego ruchu.
Amplituda i długość fali
Niezależnie od ruchu przemieszczenia ośrodka, oba rodzaje fal mają różną amplitudę i różną długość fali. Oto dwa podstawowe sposoby, za pomocą których dokonujemy pomiaru fal.
🌊 Na wykresie fali poprzecznej można to zaobserwować na podstawie polaryzacji, czyli odległości między grzbietem lub doliną fali a położeniem spoczynkowym.
💪 Amplituda fali decyduje o głośności fali dźwiękowej lub sile fali sejsmicznej.
🕐 Mierzy się ją w odniesieniu do liczby oscylacji – powtórzeń fali – na sekundę i określa się ją w Hercach.
📢 Na przykład fala dźwiękowa o większej częstotliwości będzie miała wyższą wysokość.
Fale elektromagnetyczne
Chociaż powszechnie mówi się, że fale potrzebują ośrodka materialnego, przez który mogą się przemieszczać, nie jest to do końca prawdą. Tylko fale mechaniczne potrzebują ośrodka złożonego z cząsteczek i atomów; te jednak nie mogą rozprzestrzeniać się w próżni.
Fale elektromagnetyczne natomiast rozprzestrzeniają się same. Mogą one przemieszczać się przez próżnię, ponieważ medium, które zakłócają lub przemieszczają, nie jest ściśle materialne. Ich zakłócenia dotyczą pola elektromagnetycznego, które same wytwarzają.
Więcej informacji znajdziesz w naszym artykule na temat właściwości fal.
Fale poprzeczne i fale podłużne
Wspomnieliśmy powyżej o różnicy pomiędzy falami poprzecznymi i podłużnymi. Podczas gdy ta druga przemieszcza ośrodek równolegle do kierunku rozchodzenia się energii, w pierwszej przemieszczenie jest prostopadłe do tego ruchu.
To sprawia, że fale działają w nieco inny sposób, a ich terminologia również jest nieco inna.
W falach poprzecznych mówimy o grzbietach i dolinach na diagramie falowym – są to momenty największego przemieszczenia fali lub najbardziej oddalone części fali od jej położenia spoczynkowego.
Na skutek zmian ciśnienia między cząsteczkami, gdy energia przez nie przepływa, cząsteczki te przemieszczają się na zewnątrz ze stanu spoczynku i z powrotem.
Natomiast w falach podłużnych cały ruch jest równoległy, a zmiany ciśnienia zachodzą w kierunku przemieszczania się energii. Zamiast grzbietów i dolin mamy zatem zagęszczenia (obszary wysokiego ciśnienia) i rozrzedzenia (obszary niskiego ciśnienia).
Przykłady fal poprzecznych i podłużnych
Warto zapamiętać kilka przykładów fal poprzecznych i podłużnych, ponieważ pomogą one zrozumieć różnice między nimi.
Fale poprzeczne
Jakie są przykłady fal poprzecznych? Wibracje struny gitary są falami poprzecznymi, podobnie jak te, które można wytworzyć machając jednym końcem skakanki.
Fale świetlne są również poprzeczne, wraz z towarzyszącymi im falami, takimi jak fale radiowe i wszystkie fale elektromagnetyczne.
Fale podłużne
Fale podłużne to fale, które można zobaczyć, rozciągając zabawkową sprężynę slinky na stole i puszczając jeden jej koniec. Można wtedy zobaczyć zagęszczenia i rozrzedzenia na długości sprężyny.
Fale dźwiękowe są podłużne i mogą przemieszczać się przez ciecze, gazy i ciała stałe.
Więcej informacji znajdziesz w naszym artykule na temat fal poprzecznych i podłużnych.
Nauka o odbiciu i załamaniu światła
Omówiliśmy naturę i rodzaje fal. Przyjrzyjmy się jednak bliżej ich zachowaniu.
Jednym z najciekawszych aspektów fal jest to, co zachodzi, gdy spotykają się z różnymi mediami w swoich podróżach. Co dzieje się z falą powietrzną, gdy zderzy się z cieczą? Co się stanie, gdy uderzy w ciało stałe? Co się stanie, jeżeli fala w ciele stałym uderzy w inne ciało stałe o innej gęstości?
Styczność z różnymi mediami wpłynie na to, co dzieje się dalej z falą. Prawdziwa odpowiedź wiąże się z wieloma różnymi zmiennymi – od długości fali i amplitudy do charakteru powierzchni między dwoma ośrodkami, od kąta padania fali do składu chemicznego różnych ośrodków.
Co się dzieje, gdy fala napotyka powierzchnię?
Zetknięcie z powierzchnią jest jednym z najważniejszych momentów w zabieganym życiu fali. Ponieważ pojawia się w tym momencie kilka opcji - omówimy tutaj tylko jedną.
Fala może zostać odbita. Podczas odbicia fala odbija się od powierzchni i powraca do ośrodka, z którego wyszła. Dzieje się tak, ponieważ fala ma inną częstotliwość niż drgania elektronów na powierzchni nowego ośrodka.
Może to jednak skutkować: odbiciem lustrzanym lub odbiciem rozproszonym. W pierwszym przypadku uzyskalibyśmy efekt lustrzanego odbicia, gdyż wszystkie fale odbijałyby się w tym samym kierunku. Jeśli jednak odbicie jest rozproszone, raczej mamy do czynienia z sytuacją, w której patrzymy na ścianę. Nie widzisz konwencjonalnego odbicia obrazu, a mimo to światło się od niej odbiło.
Więcej na temat odbicia dowiesz się z naszego artykułu na temat odbicia i załamania.
Czym są dźwięki i ultradźwięki?
Dźwięki słyszymy cały czas dookoła nas. Nalej szklankę wody, a usłyszysz dźwięk, zrób krok, znów pojawi się dźwięk.
Dźwięk to również coś, co powstaje w wyniku działania fal. Jeszcze lepiej, sam dźwięk jest rodzajem fali.
To, co nazywamy dźwiękiem, to cała seria drgań, które są wynikiem energii rozprzestrzeniającej się w materiale. Fale dźwiękowe są falami podłużnymi, które rozprzestrzeniają się z pierwotnego zaburzenia i występują w różnych częstotliwościach, długościach fal i amplitudach, które odpowiadają za ich wysokość, głośność i ton.
Jaka jest różnica między falami dźwiękowymi i ultradźwiękami?
Istnieją jednak częstotliwości dźwięku, których w ogóle nie słyszymy. Tego typu fale nazywamy ultradźwiękowymi – co stanowi w zasadzie zdecydowaną większość fal dźwiękowych.
Psy mogą słyszeć niektóre częstotliwości, które nazywamy ultradźwiękami, ale to tylko dowodzi, że nie ma między nimi żadnej istotnej różnicy.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękach i dźwięku w innym artykule.
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
