Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

Na powierzchnię wody upada kamyk lub kropla wody (Rys. 1.), co zapoczątkowuje rozchodzenie się kręgów. Jaki jest mechanizm tego zjawiska? Kamyk popycha w dół cząsteczki wody, znajdujące się na powierzchni. Jednak te cząsteczki wody związane są z sąsiednimi cząsteczkami siłami napięcia powierzchniowegoNapięcie powierzchniowenapięcia powierzchniowego. To dzięki tym siłom powierzchnia wody zachowuje się jak elastyczna błonka. Siła napięcia powierzchniowego pociąga wychylone w dół cząsteczki z powrotem do góry i rozpoczyna się ruch drgający cząsteczek. Energia tego ruchu przekazywana jest sąsiednim cząsteczkom, które też zaczynają drgać i przekazują swoją energię coraz dalej. W ten sposób na powierzchni wody rozchodzi się fala. Istotne jest, że cząsteczki nie zmieniają swego położenia, a tylko drgają wokół swoich położeń równowagi. Jeśli na powierzchni wody pływa listek, to fala podnosi go i opuszcza, ale nie przesuwa go w kierunku poziomym.

Rozchodzenie się fali polega na przekazywaniu energii drgań między sąsiednimi cząsteczkami ośrodka.

RalH6IOOIBbVS
Rys. 1. Fala kolista na powierzchni wody

Na Rys. 1. wyraźnie widać grzbiety i doliny fali. Cząsteczki wody w grzbietach są maksymalnie wychylone do góry, co oznacza, że są w tej samej fazie ruchu drgającego. Podobnie, jak cząsteczki w dolinach maksymalnie wychylone w dół też są w tej samej fazie.

Zbiór punktów ośrodka, przez który przechodzi fala, znajdujących się w danej chwili w jednakowej fazie drgańFaza drgańfazie drgań, nazywamy powierzchnią falową.

Powierzchnie falowe pokazane na Rys. 1. mają kształt okręgów. Taką falę nazywamy falą kolistą, a gdy rozchodzi się w przestrzeni trójwymiarowej i powierzchnie falowe są powierzchniami kul – falą kulistą. Powierzchnie falowe są zawsze prostopadłe do promieni fali, które wyznaczają kierunek rozchodzenia się fali (Rys. 2a.).

R1DZnMKvK78cd
Rys. 2. Powierzchnie i promienie falowe dla: a) fali kolistej, b) fali płaskiej. Zaznaczono długość fali λ

Fala płaska rozchodząca się w przestrzeni trójwymiarowej ma powierzchnie falowe tworzące płaszczyzny. Natomiast powierzchnie falowe fali płaskiej na powierzchni wody są równoległymi do siebie liniami prostymi (Rys. 2b.). Falę płaską na wodzie można wytworzyć, uderzając rytmicznie krawędzią deski w powierzchnię wody (Rys. 3.).

R1WAV4k24z3Wm
Rys. 3. Fala plaska na powierzchni wody

Najmniejszą odległość między punktami w jednakowej fazie drgań nazywamy długością fali i oznaczamy grecką literą . Długością fali jest więc odległość między kolejnymi grzbietami lub kolejnymi dolinami fali na wodzie.

Czas, w którym cząsteczka wody wykonuje jedno pełne drganie nazywamy okresem i oznaczamy literą . W tym czasie fala przebywa odległość równą długości fali. Prędkość fali wyraża się więc wzorem:

Odwrotność okresu drgań to częstotliwość . Prędkość fali możemy również wyrazić przez długość i częstotliwość fali:

Co się stanie, gdy fala płaska rozchodząca się na powierzchni wody napotka na wąską szczelinę? Widzimy to na (Rys. 4.) – po drugiej stronie szczeliny pojawia się fala kolista. To świetna ilustracja zasady, którą sformułował Christiaan Huygens (wym. hoejchens) w XVII wieku:

Każdy punkt ośrodka, do którego dojdzie fala, staje się źródłem fali kulistej.

R2cxSCc6svxN6
Rys. 4. Fala płaska po przejściu przez szczelinę rozchodzi się jako fala kolista

Gdy wiemy na czym polega rozchodzenie się fali w ośrodku, nietrudno zrozumieć przyczynę zasady Huygensa. Gdy do cząsteczki ośrodka dochodzi fala, zaczyna ona drgać, i swoje drgania przekazuje sąsiednim cząsteczkom otaczającym ją ze wszystkich stron. Jak więc wyjaśnić rozchodzenie się fali płaskiej biegnącej w jednym kierunku?

Gdy do jednego punktu dochodzi kilka fal, ruchy drgające cząsteczek ośrodka sumują się. Jest to zasada superpozycji fal, mówiąca, że fala wypadkowa, będąca wynikiem nałożenia się kilku ruchów falowych, jest sumą fal składowych. Popatrz na Rys. 5. Przez ośrodek przechodzi fala płaska. Gdy zaburzenie dociera do punktów PIndeks dolny 1, PIndeks dolny 2, PIndeks dolny 3, PIndeks dolny 4, PIndeks dolny 5, stają się one źródłem elementarnych fal kulistych o jednakowych fazach, które następnie w wyniku superpozycji znów tworzą powierzchnię falową w postaci płaszczyzny.

Rp0YKNwX3ouBY
Rys. 5. Gdy fala płaska dochodzi do punktów P1, P2, P3, P4, P5, stają się one źródłem elementarnych fal kulistych, które następnie w wyniku superpozycji znów tworzą falę płaską

Zasadę superpozycji fal ilustruje Rys. 6., na którym pokazano przejście fali płaskiej na powierzchni wody przez dwie wąskie szczeliny. Obie szczeliny stały się źródłami fal kolistych, które nałożyły się na siebie. W pewnych miejscach fale spotkały się w przeciwnych fazach i tam nastąpiło wygaszenie fal. Tam, gdzie fale spotkały się w zgodnych fazach, fale uległy wzmocnieniu. Takie nakładanie się fal, w wyniku którego fale wzmacniają się w jednych punktach i wygaszają w innych, nazywamy interferencją fal.

R1EDu3sN5xPRy
Rys. 6. Przejście fali płaskiej przez dwie szczeliny

Fale dzielimy na podłużne i poprzeczne.

Fala podłużna to taka, w której cząsteczki ośrodka drgają w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fali. Przykładem fali podłużnej jest fala dźwiękowa, która powstaje w wyniku zagęszczenia lub rozrzedzenia powietrza. Te zagęszczenia i rozrzedzenia przesuwają się coraz dalej, przy czym cząsteczki powietrza drgają w kierunku zgodnym z kierunkiem rozchodzenia się fali.

Fala poprzeczna jest falą, w której drgania cząsteczek ośrodka odbywają się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. Przykładem może być fala rozchodząca się w drgającej strunie.

A jaki charakter ma fala na powierzchni wody? Nie jest ona ani podłużna, ani poprzeczna. Drgania cząsteczek wody odbywają się jednocześnie w dwóch kierunkach – prostopadłym i równoległym do kierunku rozchodzenia się fali. Złożenie dwóch prostopadłych ruchów drgających daje w rezultacie ruch po elipsie. Gdy woda jest dostatecznie głęboka, cząsteczki na powierzchni wody poruszają po okręgach (Rys. 7.).

R1ex7Kx0d3VTc
Rys. 7. Gdy na powierzchni wody rozchodzi się fala, cząsteczki wody poruszają po okręgach

Orbitalny ruch cząsteczek wody zanika wraz z głębokością (Rys. 8a.). Gdy woda jest płytka, dno tworzy opór, który wpływa na ruch orbitalny cząsteczek wody. To prowadzi do spłaszczenia ruchu kołowego w ruch eliptyczny (Rys. 8b.).

RZ1pt3Wc0VOa4
Rys. 8. a) Na głębokiej wodzie kołowy ruch cząsteczek maleje z głębokością; b) Na płyciznach ruch kołowy zamienia się na eliptycznie spłaszczony – tym bardziej, im płytsza jest woda

W bardzo płytkiej wodzie, jaką widzimy na piaszczystej plaży (Rys. 9.), cząsteczki wody poruszają się już tylko w kierunku poziomym, gdy woda periodycznie zalewa plażę i cofa się.

R13eHZjlhRnCy
Rys. 9. Gdy fala dotarła do piaszczystego brzegu, cząsteczki wody poruszają się już tylko w poziomie

Słowniczek

Napięcie powierzchniowe
Napięcie powierzchniowe

(ang. surface tension) – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazem lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia ta zachowuje się jak sprężysta błona. Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy.

Faza drgań
Faza drgań

(ang. phase of vibration) – wielkość bezwymiarowa opisująca procesy okresowe, przedstawiająca, w której części okresu znajduje się ciało.