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.