Fizyka III/Fale mechaniczne
Z falami spotykamy się w naszym życiu codziennym na każdym kroku. Na przykład niemal bezustannie docierają do nas różne dźwięki w wyniku rozchodzenia się fal akustycznych. Do naszych oczu dociera światło o różnych barwach — to też przykład fal. Dzięki falom używamy telefonów komórkowych, korzystamy z bezprzewodowego Internetu, a w drodze używamy GPSu.
Czym zatem są fale? Bardzo dawno temu w XV wieku wielki uczony włoski Leonardo da Vinci pisał: „Często zdarza się, że fala ucieka z miejsca powstania, podczas gdy woda pozostaje, podobnie jest z falami, jakie wiatr wywołuje na polu zboża — widzimy fale biegnące przez pole, podczas gdy zboże pozostaje w miejscu”. Biorąc pod uwagę nasze codzienne doświadczenia z falami możemy powiedzieć, że fala jest to przenoszenie informacji i energii z jednego punktu do drugiego, mimo, że żaden obiekt materialny takiej podróży nie odbywa. Pozostaje pytanie co to jest wspomniana informacja? Możemy powiedzieć, że pod terminem informacji rozumiemy następującą sytuację: układ zostaje wyprowadzony z położenia równowagi w pewnym punkcie i te niewielkie lokalne zmiany pewnej wielkości fizycznej propagują się w przestrzeni.
Ogólne własności fal (dowolnych, nie tylko mechanicznych) są następujące:
- podczas rozchodzenia się fali zachodzą niewielkie lokalne zmiany własności ośrodka, np.: przesunięcia z położenia równowagi, zmiana natężenia pól elektromagnetycznych itp.,
- zaburzenia poprzez oddziaływujące na siebie elementy ośrodka są przekazywane do następnego elementu,
- następuje powrót układu (ośrodka) do położenia równowagi, nie ma trwałego przemieszczenia
- fala rozchodzi się z określoną prędkością,
- fala przenosi pęd i energie tzn. musi istnieć źródło pobudzające fale,
- jeżeli działająca w ośrodku siła jest harmonicznie zmienna w czasie, wtedy wytworzone przez nią fale biegnące nazywamy harmonicznymi.
W tym rozdziale będziemy się zajmować falami mechanicznymi, a więc falami rozchodzącymi się w ośrodkach sprężystych. Warunkiem niezbędnym powstania takich fal jest istnienie ośrodka sprężystego – fale mechaniczne nie rozchodzą się w próżni! Ze względu na sposób rozchodzenia się fal możemy je podzielić na fale:
- poprzeczne: ruch elementów ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, jeżeli ruch odbywa się w jednej płaszczyźnie mówimy o fali spolaryzowanej. Przykładem fal poprzecznych są fale wytworzone w strunie — gdy fala się rozchodzi, każdy element struny porusza się prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali;
- podłużne: elementy ośrodka poruszają się w kierunku rozchodzenia się fali. Przykładem fal podłużnych są fale dźwiękowe, gdy fala przechodzi, każda cząsteczka powietrza porusza się do przodu-do tyłu, równolegle do kierunku rozchodzenia się fali.
Nie każdą falę rozchodzącą się w ośrodku sprężystym przyporządkowujemy jednemu z wyżej podanych rodzajów fal. Np. fale na powierzchni wody nie są ani falami poprzecznymi ani falami podłużnymi. W tym przypadku, gdy fala przechodzi, każda cząsteczka wody porusza się (w najprostszym modelu) po okręgu, a więc ma składową prędkości podłużną i poprzeczną do kierunku rozchodzenia się fali.
Podkreślmy teraz wspólne cechy fal mechanicznych:
- Zaburzenie (lokalna zmiana) ośrodka propaguje się z określoną prędkością w ośrodku. Wartość tej prędkości jest określona przez własności elastyczne ośrodka. Uwaga! Prędkość fali nie jest prędkością cząsteczek ośrodka wprawionych w ruch w wyniku rozchodzenia się fali!
- Ośrodek nie przemieszcza się w przestrzeni, jego elementy (cząsteczki) z którego jest zbudowany poruszają się wokół położenia równowagi góra-dół lub do przodu-do tyłu. Przemieszcza się jedynie „zaburzenie”.
- W celu wytworzenia fali należy do układu dostarczyć energię przez wykonanie pracy mechanicznej nad układem. Fala przenosi energię z jednego obszaru do drugiego, ale nie przenosi materii.
