W naszym artykule na temat właściwości fal omówiliśmy ogromne znaczenie fal w naszym życiu i technologii.
Nasze ciała są stworzone do wykorzystywania fal dźwiękowych do wykrywania wibracji wokół nas, tak działa nasz słuch. Nasze oczy wykorzystują fale świetlne, aby przekształcić odbicie obiektu w obraz, który możemy zrozumieć. W międzyczasie opracowaliśmy fale radiowe, które są rodzajem światła, w celu przesyłania informacji na odległość, podczas gdy obecnie możemy wykorzystać energię fal wodnych na potrzeby naszego społeczeństwa.
Obok tych całkiem przydatnych fal istnieją fale sejsmiczne, które są wyzwalane przez trzęsienia ziemi i wybuchy wulkanów. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku oddziaływania pola magnetycznego i pola elektrycznego. Dzięki falom mamy trampoliny czy falę meksykańską.
Fale są wszędzie wokół nas, w miejscach, których nigdy byśmy się nie spodziewali. Dlatego tak ważne jest, abyśmy poświęcili chwilę na zrozumienie, czym są fale: jak działają, ich główne cechy, właściwości i typy.
Tutaj przyjrzymy się typom fal. Skupimy się na dwóch głównych typach fal: podłużnych i poprzecznych oraz pokażemy Ci różne miejsca, w których możesz je znaleźć. Weźmiemy też pod uwagę fale powierzchniowe – będące kombinacją obu zjawisk.
Mamy nadzieję, że uznasz to za interesujące!
Po pierwsze, czym jest fala?
Naukowcy mają tendencję do definiowania fali jako zakłócenia lub zmiany, która przesyła energię w regularny sposób. Każda część tej definicji jest ważna, poświęćmy więc chwilę na jej przeanalizowanie.
W falach mechanicznych – czyli falach, które wymagają ośrodka, przez który mogą przejść – transfer energii fali zachodzi przez zakłócenie stanu cząsteczek materii.
Gdy energia fali przechodzi przez materię, cząsteczki poruszają się, a następnie wracają do swojego pierwotnego położenia.
W fali mechanicznej przesyłana jest zatem jedynie energia, a nie masa.
Jednak energia przechodząca przez medium wytwarza regularne oscylacje.
Gdyby tak nie było – gdyby oscylacje były całkowicie losowe – nie byłoby fali. W tym przypadku musiałoby być jakieś zewnętrzne źródło energii oddziałujące na medium, które nie jest prostym przemieszczaniem się energii z punktu do punktu.
🟩 to zaburzenia rozprzestrzeniające się w medium;
🟦 zaburzenia muszą być regularne;
🟪 zaburzenia przenoszą energię z punktu do punktu.
Uwaga na temat fal elektromagnetycznych
Fale mechaniczne potrzebują ośrodka materialnego, który może zostać zakłócony – w przeciwnym razie nie mogłyby się rozprzestrzeniać. Fale przenoszą energię przez materiał stały, ciekły lub gazowy.
Istnieje jednak inny rodzaj fal, o którym zapominamy – są to fale elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne, takie jak światło widzialne, fale radiowe, promieniowanie ultrafioletowe i promienie gamma mogą swobodnie podróżować przez przestrzeń pozbawioną jakiegokolwiek materialnego ośrodka. Próżnia i przestrzeń kosmiczna to dobre przykłady takiej przestrzeni. Jeśli chcesz poszerzyć swoją wiedzę o tych fascynujących zjawiskach, warto rozważyć korepetycje fizyka online.
To sprawia, że pojęcie zaburzenia lub przemieszczenia jest trochę trudne do zrozumienia. Bo jak może dojść do przemieszczenia, jeśli nie ma niczego – dosłownie żadnego materiału – który można by przemieścić? Dobre pytanie – i to również niepokoi naukowców.
W połowie XIX wieku James Clerk Maxwell, naukowiec znany z równań Maxwella, doszedł do wniosku, że fale elektromagnetyczne to zaburzenia rozprzestrzeniające się w polu magnetycznym. Są to więc zaburzenia takie same jak fale sejsmiczne, ale powstają w zupełnie innym medium niż to, które nazywamy materią.
Dowiedz się wszystkiego o odbiciu i załamaniu!
Fale podłużne i fale poprzeczne
Teraz gdy wyjaśniliśmy podstawowe definicje, przejdźmy do właściwej treści tego artykułu – natury i różnic między falą podłużną i falą poprzeczną.
Czy wiesz, na czym polega ta różnica? Jeśli przeczytałeś nasz artykuł, Czym są fale?, pewnie już wiesz. Jednak tutaj przyjrzymy się temu nieco bardziej szczegółowo.
Różnica między falami podłużnymi i poprzecznymi dotyczy ruchu falowego, czyli sposobu, w jaki fale oscylują. Jeśli fala wytwarza ruch materiału prostopadły do kierunku przepływu energii ten rodzaj fali nazywamy falą poprzeczną. Jeśli ruch ten jest równoległy w kierunku przekazywanej energii falę nazywamy podłużną.
Dla jasności omówmy je po kolei.
Czym są fale poprzeczne?
Gdyby istniało coś takiego jak fala klasyczna, byłaby to fala poprzeczna. To te same rodzaje fal, które badamy na diagramach. Fale poprzeczne są najłatwiejsze do zwizualizowania, ponieważ pokazują polaryzację. Dla zainteresowanych zrozumieniem tych zjawisk, korepetycje z fizyki mogą okazać się pomocne.
Wyobraź sobie skakankę. Gdy potrząśniesz jednym końcem skakanki, wzdłuż niej powstaje widoczna fala. To właśnie fala poprzeczna.
Definicja naukowa fali poprzecznej zakłada, że przesunięcie ośrodka odbywa się pod kątem prostym do kierunku przesyłu energii. W przypadku skakanki oznacza to, że widoczna fala porusza się „w górę i w dół”, a energia porusza się wzdłuż linki.
Grzbiety i doliny
Najwyższy punkt fali – moment maksymalnego przemieszczenia ośrodka – w przypadku fali poprzecznej nazywamy „grzbietem”, gdy fala jest „w górze” i „doliną”, gdy fala jest „w dole”.
W związku z tym, przy fali poprzecznej, możemy łatwo zmierzyć długość fali, jak również jej amplitudę. „Łatwo”, przynajmniej w teorii. Można zobaczyć odległość między szczytami (za pomocą których mierzymy długość oscylacji fali, czyli jej długość), a także odległość między szczytami i położeniem spoczynkowym fali (amplituda fali).
Oba te parametry – długość fali i amplituda – mogą nam powiedzieć, ile energii jest przekazywane w fali.
Przykłady fal poprzecznych
Omówiliśmy przykład skakanki – rodzaju fali poprzecznej. Jest ich jednak o wiele więcej.
Struna gitary działa dokładnie tak samo, jak skakanka – z tą różnicą, że częstotliwość fali jest znacznie wyższa.
Fale elektromagnetyczne, takie jak światło i fale radiowe, są również falami poprzecznymi. Zaburzając pole magnetyczne, fale polaryzują się naprzemiennie – oznacza to, że gdy fala elektryczna sięga grzbietu, aspekt magnetyczny znajduje się w dolinie.
Czym są fale podłużne?
W przypadku fali poprzecznej przesunięcie powoduje polaryzację ośrodka. W przypadku fali podłużnej zakłócenie to zachodzi w inny sposób, który nie powoduje powstawania prostopadłych szczytów i dolin.
W fali podłużnej przesunięcie następuje w kierunku przemieszczania się energii. Zamiast skakanki wyobraźmy sobie więc zabawkową sprężynę slinky – jedną z tych, co „same” schodzą po schodach.
Co się stanie, jeśli położysz sprężynkę na boku i szarpniesz jeden jej koniec? Poszczególne elementy sprężyny będą stopniowo się od siebie oddalały i zbliżały. Zamiast kołysania, energia powędruje wewnątrz struktury samej sprężyny.
Zagęszczenia i rozrzedzenia
Naukowcy nazywają te ruchy zagęszczeniem i rozrzedzeniem, są one odpowiednikami grzbietów i doli fali poprzecznej.
Zagęszczenia to obszary w ośrodku, w których cząsteczki – lub pierścienie sprężynki – znajdują się bliżej siebie. Tutaj ciśnienie jest bardzo wysokie, co oznacza, że medium może się ponownie rozdzielić. Rozrzedzenia to z kolei obszary niskiego ciśnienia, gdzie cząsteczki ośrodka są bardziej oddalone od siebie.
Jeśli miałbyś zmierzyć amplitudę lub częstotliwość i długość fali w przypadku fali podłużnej pomiar należy wykonać w punktach największego zagęszczenia.
Przykłady fal podłużnych
Oprócz sprężynki (która, nawiasem mówiąc, może również powodować powstawanie fal poprzecznych), jakie są inne przykłady fal podłużnych?
Nie zdziwisz się zapewne, gdy usłyszysz, że jest ich całe mnóstwo.
Fale dźwiękowe są prawdopodobnie jednym z najważniejszych – lub przynajmniej jednym z najwygodniejszych przykładów. Dobrze podróżują w powietrzu, ale w rzeczywistości podróżują szybciej przez ciecze i ciała stałe – ponieważ medium jest gęstsze, co oznacza, że może wystąpić większe zagęszczenie jego cząsteczek.
Czym są fale powierzchniowe?
A tak przy okazji, istnieje trzeci typ fal, o którym powinieneś wiedzieć. Są to fale powierzchniowe – jak słynne fale oceaniczne, które przemieszczają się na styku dwóch mediów.
Są one w rzeczywistości połączeniem fal podłużnych i poprzecznych.
Dowiedz się więcej o dźwięku i falach dźwiękowych!
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
