Fale są wszędzie. Słyszymy je i widzimy, a są one obecne w najróżniejszych ośrodkach materialnych i przestrzeni.
Kiedy wrzucisz kamień do wody, powstałe kręgi na wodzie to fale. Wielkie bałwany morskie to też fale – są po prostu większą wersją tego zazwyczaj mikroskopijnego zjawiska fizycznego. Gdy wiatr wieje przez drzewa lub nad polami, tam również widać fale.
Tutaj przyjrzymy się naturze fal zdefiniowanej przez fizykę. Przyjrzymy się niektórym cechom i terminom – takim jak amplituda, propagacja fali, częstotliwość i długość fali – aby odkryć, jak rozumieją falę fizycy. Przyjrzymy się bliżej niektórym ważnym miejscom, w których występują fale w naszym świecie – od fal grawitacyjnych i elektromagnetycznych po fale dźwiękowe i fale wodne.
To szczególne zjawisko jest naprawdę istotną częścią naszego świata, którą należy poznać. Gdy już dowiesz się, jak rozpoznać falę – i gdzie można ją znaleźć – zobaczysz ją wszędzie.
Zatem przyjrzyjmy się temu, czym właściwie jest fala. Możesz znaleźć wprowadzenie do fal w innym artykule.
Definicja fali
Prawdopodobnie widziałeś już kiedyś diagram przedstawiający falę.
To, co widzisz, to linia, która przebiega nad i pod centralnym punktem w regularnych odstępach. Odległości między najwyższymi punktami na linii fluktuacyjnej (lub „grzbietami”) są regularne, podczas gdy wysokość i głębokość grzbietów i dolin pozostają takie same. Bez tej regularności nie byłoby fali.
Fala to zakłócenie lub zmiana w czasoprzestrzeni, której towarzyszy zmiana energii.
To jest definicja, którą warto zapamiętać. Jeśli wyobrazisz sobie, że w idealnym świecie normalna linia falowa byłaby całkowicie płaska – bez żadnej fali – to na schemacie widzisz transfer energii, którym jest zakłócenie.
Energia jest zawsze przekazywana – i jako takie, fale są zawsze obecne, w o wiele bardziej złożonych wariantach i interferencjach, niż mógłby to pokazać jakikolwiek diagram.
Pamiętaj: fale przenoszą energię, a nie materię. Jeśli potrzebujesz dodatkowego wsparcia, rozważ korepetycje z fizyki.
Fale mechaniczne i fale elektromagnetyczne
Zanim przejdziemy do omówienia kształtów i ruchów różnych fal, istotne jest, aby rozpoznać dwa podstawowe typy fal. Może słyszałeś o falach elektromagnetycznych, które są falami świetlnymi. Działają one nieco inaczej niż fale pokazane na powyższym schemacie.
Fale mechaniczne
Fale mechaniczne to fale, które rozpoznajemy wokół siebie.
To fale oceaniczne i fale na wodzie, fale dźwiękowe, które słyszymy i fale sejsmiczne, które niszczą budynki i rozrywają ziemię podczas trzęsienia ziemi.
Te fale mechaniczne potrzebują ośrodka, przez który mogą się przemieszczać, jakiejś materii.
W ich przypadku energia przemieszcza się poprzez cząsteczki.
Wyobraź sobie trzęsienie ziemi. W tym przypadku początkowa siła powoduje zaburzenia w materii Ziemi.
Siła ta może przemieszczać się daleko – tzn. szkody mogą zostać wyrządzone setki kilometrów od epicentrum – ponieważ fale mogą przemieszczać się przez całą materię Ziemi, przenosząc energię kinetyczną na ogromne odległości.
Gdyby nie substancja ziemi – lub gdyby, na przykład, fale sejsmiczne z jakiegoś powodu natrafiły na próżnię – trzęsienie ziemi nie mogłoby roznosić się dalej.
Fale elektromagnetyczne
Fale mechaniczne potrzebują ośrodka materialnego, który mogą zakłócić, aby przenosić energię, natomiast fale elektromagnetyczne nie potrzebują takiego ośrodka. Fale te, takie jak fale świetlne, mogą rozprzestrzeniać się nawet w próżni. Ten fakt jest nieco problematyczny dla naszego pojmowania fal jako takich.
Prawdopodobnie słyszałeś o słynnym problemie naukowym, który stwierdza, że światło jest zarówno falą, jak i cząstką (kot Schrödingera brzmi znajomo?) – w zależności od tego, jak próbujesz je obserwować, światło zachowuje się zarówno jak cząstka, jak i fala. To jest jedna ze skomplikowanych kwestii.
Fale elektromagnetyczne, takie jak światło, powstają w wyniku oddziaływania pola magnetycznego i pola elektrycznego. Zmiana jednego z nich powoduje zmiany drugiego – i jednocześnie wytwarza fale elektromagnetyczne.
Fale radiowe, oprócz światła, stanowią kolejny rodzaj fal elektromagnetycznych.
Fale i przekazywanie energii
Mając to na uwadze, zajmijmy się najważniejszą i najbardziej użyteczną częścią natury i struktury fal. Fale przenoszą energię.
W falach przekazywana jest energia. Podczas gdy cząsteczki lub materia, przez którą przechodzi fala, poruszają się krótko, całkowity ruch materiału jest równy zeru: cząsteczki powracają do swojego pierwotnego położenia po przejściu fali.
Podłużne, poprzeczne i powierzchniowe: jakie są rodzaje fal?
Oprócz tych dwóch podstawowych typów fal istnieją różne klasyfikacje opisujące rodzaj ruchów, jakie powodują fale. Kategorie te opisują sposoby, w jakie fale przemieszczają cząstki, a także różne materiały, przez które fala się rozprzestrzenia.
Fale podłużne
Fale opisujemy jako podłużne, jeżeli cząsteczki poruszają się równolegle do ruchu energii w fali. W przeciwieństwie do grzbietów i dolin, które widzimy na klasycznym diagramie falowym, fale podłużne nie charakteryzują się ruchem góra-dół.
W języku naukowym wyraża się to inaczej. Fale podłużne nie wykazują polaryzacji, to znaczy nie mają grzbietów i dolin, ich drgania są zgodne z kierunkiem przemieszczania się energii.
Przykładem tego rodzaju fal są fale dźwiękowe, które mogą przemieszczać się przez ciała stałe, ciecze i gazy.
Fale poprzeczne
Fala poprzeczna to rodzaj fali, którą widzimy na znanym nam diagramie falowym. Tutaj ruch cząstek odbywa się prostopadle do ruchu energii.
Fala poprzeczna wykazuje polaryzację falową, której brakuje fali podłużnej: występuje w niej wyraźny ruch między grzbietem i doliną. Polaryzacja ta, nawiasem mówiąc, mierzona jest w amplitudach, które opisują odległość między skrajnymi punktami i środkiem fali.
Są to najłatwiejsze do zbadania fale, ponieważ można łatwo zobaczyć ich polaryzację i długość, lub odległość oscylacji (czas potrzebny fali do powtórzenia się).
Wyobraź sobie linę, którą szybko podnosisz i opuszczasz. Wzdłuż liny zobaczysz grzbiety, które będą wędrować po całej jej długości. To właśnie fala poprzeczna.
Fale powierzchniowe
W falach powierzchniowych cząstki poruszają się w ruchem okrężnym, rozprzestrzeniając się od pierwotnej interferencji. W rzeczywistości są to fale poprzeczne i podłużne, które powstają na granicy między różnymi ośrodkami.
Znasz te rodzaje fal: wrzuć kamień do wody, a każda widoczny krąg to fala powierzchniowa. Ich ruch kołowy wynika z połączenia ruchu poprzecznego i podłużnego.
Dowiedz się więcej o falach poprzecznych i podłużnych!
Jakie części fali wyróżniamy?
Podsumujmy pokrótce najważniejsze elementy fali, które omówiliśmy do tej pory. Jeżeli czytasz ten artykuł, aby ułatwić sobie pracę domową, ważne jest, abyś bardzo dobrze znał wszystkie te terminy. Dla tych, którzy chcą zgłębić temat jeszcze bardziej, dostępne są korepetycje fizyka online.
Oto najważniejsze części fali.
- Położenie spoczynkowe – jest to położenie cząstek, w którym nie przechodzi przez nie żadna energia ani fala; cząstki te są niezakłócone. Na diagramie falowym jest to linia przechodząca przez środek fali.
- Przemieszczenie – jest to odległość, na jaką cząstka przemieściła się od swojego położenia spoczynkowego na skutek zakłócenia.
- Amplituda – miarą przemieszczenia jest amplituda, czyli maksymalne zaburzenie danego punktu ośrodka. Jest to odległość między punktem spoczynkowym a najwyższym grzbietem lub doliną.
- Grzbiety i doliny – punkty największego zaburzenia lub maksymalnego przemieszczenia, powyżej i poniżej położenia spoczynkowego.
- Oscylacja – powtarzalność fali – czyli przestrzeń między dwoma grzbietami.
- Długość fali – rzeczywista odległość pokonywana przez jedno drganie – zwykle mierzona od grzbietu do grzbietu.
- Częstotliwość lub prędkość fali – liczba drgań fali na sekundę.
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
