Rodzaje fal

Rodzaje fal

FALE

Fale morskie, fale tsunami czy fale na włosach. Pewnie każdy z Was spotkał się z pojęciem fali. A to oznacza, że Dawid Podsiadło w piosence Nie ma fal po prostu się mylił ;)

Fale były, są i będą!!! Ale czym jest właściwie fala i jaki jest mechanizm jej powstawania? Jakie rodzaje fal wyróżniamy i czym one się od siebie różnią.

Fala – definicja

Fala to zaburzenie tj. zmiana jakiejś wielkości fizycznej (np. ciśnienia, pola elektrycznego) rozchodzące się w ośrodku lub przestrzeni.

Fala przenosi informację i energię z jednego punktu ośrodka (lub przestrzeni) do drugiego mimo iż żaden obiekt materialny (np. cząstki, atomy) nie przemieszcza się pomiędzy tymi punktami (zgodnie z mechaniką kwantową materia wykazuje także właściwości falowe, jednak tym zagadnieniem nie będziemy się tu zajmować). W związku z powyższym możemy wyobrazić sobie falę jako energię wypełniającą pewien obszar w przestrzeni.

Multiple Choice

Fala nie przenosi informacji i energii z jednego punktu ośrodka do drugiego

• Prawda

• Fałsz

Ze względu na sposób rozchodzenia (rozprzestrzeniania się) fali, wyróżniamy:

• fale mechaniczne

• fale elektromagnetyczne (EM)

Fale mechaniczne

Fale, które napotykamy (i zarazem doświadczamy) każdego dnia.

Cechą charakterystyczną fal mechanicznych jest to, że mogą one istnieć tylko i wyłącznie w jakimś ośrodku materialnym, w którym atomy lub cząsteczki są zdolne do wykonywania drgań (woda, powietrze, struna, lina itp.).

 Do fal mechanicznych zaliczamy:

• fale dźwiękowe (akustyczne)

• fale morskie

• fale sejsmiczne tj. fale rozchodzące się w Ziemi

Prędkość fal mechanicznych

Prędkość fal mechanicznych rozchodzących się w danym ośrodku zależy ściśle od jego właściwości fizycznych, a konkretnie od masy oraz właściwości sprężystych danego ośrodka.

Multiple Select

Do fal mechanicznych zaliczamy:

• fale akustyczne

• fale poprzeczne

• fale rozchodzące się w Ziemi

• fale podłużne

Multiple Choice

Prędkość fal mechanicznych rozchodzących się w danym ośrodku zależy od masy

• Prawda

• Fałsz

Ze względu na kierunek rozchodzenia się fal, wyróżniamy:

• fale podłużne

• fale poprzeczne

Fale podłużne

Fale, w których kierunek drgań jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali (drgania zachodzą równolegle do kierunku propagacji fali). Przykładem fali podłużnej jest fala dźwiękowa.

Fale poprzeczne

Fale, w których kierunek drgań jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Przykładem fali poprzecznej jest fala elektromagnetyczna oraz fala rozchodząca się w linie

Multiple Choice

Fala, w której kierunek drgań jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, to:

• Fala podłużna

• Fala poprzeczna

Fale biegnące

Fale podłużne i poprzeczne nazywane są również falami biegnącymi, ponieważ przemieszczają się z jednego punktu do drugiego.

Pojęcia powiązane z falą

Rysunek przedstawia falę poprzeczną wytworzoną przy użyciu liny.

Czerwona strzałka wskazuje kierunek ruchu fali. Grzbiet i dolina fali to punkty związane z maksymalnym przemieszczeniem elementu ośrodka odpowiednio w kierunku dodatnich oraz ujemnych wartości osi y.

Amplituda fali

Amplitudą fali A nazywamy bezwzględną wartość maksymalnego przemieszczenia elementu ośrodka (w naszym przykładzie elementu liny) względem jego położenia równowagi.

Jednostką amplitudy w układzie SI jest jednostka długości, czyli metr (m).

Faza fali

Fazą fali nazywamy argument kx – ωt funkcji cosinus występującej w wyrażeniu opisującym przemieszczenie y elementu liny. Faza fali ulega zmianie wraz ze zmianą położenia x oraz czasu t.

Długość fali

Długość fali λ  to odległość między kolejnymi powtórzeniami kształtu fali, mierzona równolegle do kierunku rozprzestrzeniania się fali.

Jednostką długości fali w układzie SI jest jednostka długości, czyli metr (m).

Liczba falowa

Wielkość k  występująca w wyrażeniu 

kx – ωt 

nazywana jest liczbą falową. Wielkość ta zdefiniowana jest następująco:

k=2π / λ

Jednostką liczby falowej w układzie SI jest radian na sekundę (rad/s).

Okres fali

Okres T  to czas, w którym dowolny element ośrodka (np. element liny) wykonuje jedno pełne drganie. Jednostką okresu w układzie SI jest jednostka czasu, czyli sekunda (s).

Częstość kołowa fali

Wielkość ω  występująca w wyrażeniu kx – ωt to częstość kołowa fali, opisująca szybkość, z jaką powtarza się jedno pełne drganie elementu ośrodka. Wielkość ta związana jest z okresem ruchu T następującą zależnością:

ω=2π / T

Jednostką częstości kołowej w układzie SI jest radian na sekundę (rad/s).

Częstotliwość fali

Odwrotnością okresu T jest częstotliwość f opisująca liczbę pełnych drgań elementu ośrodka wykonywanych podczas każdej sekundy ruchu ciała. Częstotliwość f jest równa:

f=1/T

Jednostką częstotliwości w układzie SI jest herc (Hz), związany z jednostką czasu – sekundą – poniższą zależnością: 1Hz=1/s

Częstotliwość fali a częstość kołowa fali

Po podstawieniu zależności wiążącej okres T z częstotliwością f do wyrażenia na częstość kołową ω, otrzymamy:

Prędkość fali

Prędkość V, z jaką fala rozchodzi się w ośrodku możemy obliczyć ze wzoru:

Jednostką prędkości fali w układzie SI jest metr na sekundę (m/s).

Multiple Choice

Wielkością opisującą szybkość, z jaką powtarza się jedno pełne drganie ciała jest:

• okres

• amplituda

• częstotliwość

• częstość kołowa

Multiple Select

Zaznacz opisy sytuacji, w wyniku których powstaną fale mechaniczne.

• wrzucenie kamyka do wody

• uderzenie młoteczkiem w kamerton

• zgaszenie światła w pomieszczeniu

• szarpnięcie struny w gitarze

• włączenie kuchenki mikrofalowej