Z falami spotykamy się w naszym życiu codziennym na każdym
Transkrypt
Z falami spotykamy się w naszym życiu codziennym na każdym
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: 1. 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! 2. 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”. 3. 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.