Kilka pojęć charakterystycznych dla fal i ruchu falowego:
Falą nazywamy rozchodzące się
zaburzenie ośrodka przenoszące energię i rozchodzące się ze
skończoną prędkością.
W zależności od
rodzaju (natury) fal zaburzenie to będzie różnego rodzaju.
Na przykład dla fali akustycznej zaburzeniem będą drgania
powietrza i związane z nimi lolkalne zmiany jego ciśnienia.
Dla fal elektromagnetycznych (a więc i dla światła)
jako zaburzenie traktować należy periodyczne zmiany
wektorów natężenia pola elektrycznego E i
indukcji pola magnetycznego.
W zależności od kierunku drgań w stosunku do kierunku rozchodzenia się fal dzielimy
wszystkie fale na fale podłużne i fale poprzeczne .
Fale podłużne są to takie fale, w których drgania zachodzą w tej samej
płaszczyźnie, w której rozchodzi się fala. Na przykład, uderzając młotkiem w gwóźdź,
powodujemy, że uderzone cząsteczki zbliżają się nieco w kierunku
innych cząsteczek, przekazując im energię, te z kolei następnym itd.
Jężeli tylko uderzenie nie było na tyle silne, aby trwale odkształcić gwóźdź, cząsteczki
będą drgać wokół swojego położenia równowagi, a kierunek ich drgań będzie wzdłuż
osi gwoździa. Wzdłuż osi gwoździa będzie przenoszona także energia drgań.
Zatem kierunek drgań cząsteczek i kierunek rozchodzrnia się fali będą zgodne.
Mechaniczne fale podłużne mogą rozchodzić się we wszystkich ośrodkach, zarówno stałych i
ciekłych, jak i gazowych (nie w próżni). Falami podłużnymi są np. fale akustyczne.
Fale poprzeczne to fale, w których drgania zachodzą w płaszczyźnie prostopadłej do
kierunku rozchodzenia się drgań. Na przykład, wrzucając do wody kamień,
powodujemy drgania cząsteczek na powierzchni wody w górę i w dół.
Ponieważ każda cząsteczka na powierzchni cieczy związana jest siłami napięcia
powierzchniowego z sąsiednimi
cząsteczkami , drganie każdej z nich wymusza drganie następnej itd.
W ten sposób cząsteczki drgają w górę i w dół, a zburzenie,
czyli fala, rozchodzi się poziomo. Przykład z powierzchnią cieczy
jest przykładem wyjątkowym, gdyż poza tym mechaniczne fale poprzeczne mogą
rozchodzić się wyłącznie w ciałach stałych, a więc w ciałach dysponujących sprężystością
postaci. Związane to jest z tym, że przy drganiach poprzecznych cząstka drgająca
musi "pociągać" za sąbą inne cząstki, aby wymusić ich drgania, natomiast przy drganiach
podłużnych, po prostu uderza w nie.
Falami poprzecznymi są na przykład fale powstające w strunie gitary.
Również falami poprzecznymi są fale elektromagnetyczne, gdyż kierunek drgań
pól elektrycznego i magnetycznego są w niej prostoopadłe do kierunku rozchodzenia
się fali. (Oczywiście te fale mogą rozchodzić się we wszystkich ośrodkach, także w próżni).
Powierzchnią falową nazywamy zbiór
punktów ośrodka, które w danej
chwili są w tej samej fazie.
Czoło fali to powierzchnia falowa najdalej
w danej chwili oddalona od źródła fali.
Długość fali to odległość
dwóch najbliższych punktów ośrodka, które w
danej chwili są w tej samej fazie. Czasami określa się
również, że długośc
fali równa jest drodze, jaką fala przebywa w czasie
jednego okresu.
Okresem (zazwyczaj oznaczany literą T) nazywamy czas
jednego pełnego drgnienia. Okres jest odwrotnością
częstotliwości
(ozn. literą f), która liczbowo określa
liczbę drgań zachodzących
w jednostce czasu : f=1/T.
Zarówno okres jak i częstotliwośc nie są
własnością fali lecz własnością
żródła fali. Dlatego przy przejściu fali
z jednego ośrodka do innego, o
innych własnościach, częstotliwość
nie ulega zmianie. Ulec zmianie mogą
jedynie długość fali i jej prędkość.
Zasada Huygensa mówi, ze każdy
punkt ośrodka, do którego dotrze fala,
staje się źródłem nowej fali kulistej.
Te "miniaturowe" fale kuliste
nakładają się na siebie. W rezultacie powstaje
nowe czoło fali, które
stanowić będzie powierzchnia styczna do czół
tych fali kulistych.
Jeśli fala nie natrafi na żadną przeszkodę,
kolejne powstające w opisany
sposób powierzchnie falowe mają ten sam kształt
(tzn jeśli była to np fala
płaska, kolejna powierzchnia falowa będzie nadal płaszczyzną).
Jeśli fala natrafi na przeszkodę, "falki"
kuliste powstałe w miejscu
przeszkody nie mogą się swobodnie rozprzestrzeniać
i kształt
powierzchni falowej powstałej fali będzie inny. Zmieni się też
jej kierunek rozchodzenia.
Teoria ta wyjaśnia, dlaczego np fala płaska padając
na przeszkodę z
pojedynczą, wąską szczeliną nie rozchodzi
się już w jednym tylko kierunku,
lecz rozchodzi się we wszystkich kierunkach, tak jak fala
kulista.
Dyfrakcja fali czyli ugięcie, polega na
odchyleniu biegu fali od
prostoliniowego po napotkaniu przez falę przeszkody,
której rozmiary są
porównywalne z długością fali.
Interferencja fal to nakładanie się
dwóch lub wiecej fal. Towarzyszą
jej efekty wzmocnienia i osłabienia natężnia fal.
Efektem interferencji fal
mechanicznych jest na przykład fala stojąca. Efektem
interferencji fal
świetlnych jest z kolei układ jasnych i ciemnych prążków.
Ogólnie, do tego aby zaszła interferencja, muszą
być spełnione następujące
warunki:
Fale spójne (inaczej koherentne)
to fale, których różnica faz jest stała w czasie. Fale takie muszą mieć jednakowe
częstotliwości.
Po prostu, tylko fala cząstkowa która powstała w
miejscu szczeliny może
rozchodzić się dalej. Nie napotykając za
przeszkodą na inne fale cząstkowe (tak, jak fale przed przeszkodą - spójrz na rysunek),
nie może odtworzyć poprzedniej powierzchni falowej
i rozchodzi się dalej
"samotnie" jako fala kulista.
- muszą spotkać się conajmniej dwie fale,
- fale te muszą być spójne.
Dyspersja jest to zależność prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku
od jej czestości. Wynika ona głównie z różnego oddziaływania cząstek ośrodka
z falami o różnych częstotliwościach. Dlatego np. próżnia jest ośrodkiem
bezdyspersyjnym dla fal elektromagnetycznych (w próżni fale elektromagnetyczne
mają taką samą prędkość, niezależnie od długości).
Fale akustyczne również podlegają dyspersji, różnej, w różnych ośrodkach.
Prędkość tych fal rośnie na ogół wraz ze wzrostem sprężystości ośrodka.
O ile dyspersja np. wody morskiej jest znacznie zróżnicowana, to już w czystej destylowanej
wodzie fale akustyczne nie ulegają w ogóle dyspersji.
Dyspersja fal akustycznych w powietrzu jest niewielka i związana głównie z obecnością
CO2 i pary wodnej, a spowodowana jest tym, że część energii fali wywołuje
nie tylko ruch postępowy cząsteczek powietrza, ale również oscylacje i rotacje
wieloatomowych cząsteczek (N2 , O2, CO2 i H2O.