3813100786

Przykłady ruchu falowego i zjawisk mających charakter falowy można by tutaj mnożyć i wyliczać dalej¹⁰. My zajmiemy się podstawowymi właściwościami ruchu falowego (fali), które z punktu widzenia nauk inżynierskich i fizyki są najistotniejsze.

Fala to pojęcie abstrakcyjne. Pod pojęciem fali będziemy rozumieli dalej rozchodzenie się zaburzenia ośrodka (lub pola) od jednego do innego punktu ośrodka (pola). Precyzyjne określenie fali podamy w dalszym ciągu wykładu. Rozchodzeniu się zaburzenia towarzyszy przekazywanie ruchu^{1 2} w jaki wprawiane są cząsteczki ośrodka, do których fala dociera. W tym kontekście, znane typy ruchów falowych przyjęto dzielić na dwie duże grupy, którymi są:

I. Fale sprężyste (patrz rozdział 2) zwane także falami mechanicznymi fale te będą przedmiotem naszego szczególnego zainteresowania;

II. Fale elektromagnetyczne tym falom poświęcimy nieco uwagi po zapoznaniu się z równaniami Maxwella.

Fale sprężyste swoją nazwę zawdzięczają temu, że rozchodzą się, tj. istnieją tylko w ośrodkach sprężstych, natomiast fale elektromagnetyczne mogą się rozchodzić także w próżni. Propagacja fal elektromagnetycznych (grawitacyjnych) jest związana z rozchodzeniem się zaburzeń pola elektromagnetycznego (grawitacyjnego). W tym sensie do rozchodzenia się fal elektromagnetycznych (grawitacyjnych) nie jest wymagane istnienie ośrodka sprężystego¹².

Dobrym przykładem ruchu falowego z pierwszej grupy jest dźwięk (fale akustyczne). Natomiast do drugiej grupy zaliczamy, m.in., światło, fale radiowe i telewizyjne, promieniowanie X.

Dodajmy, że fale rozchodzą się ze skończoną prędkością i że towarzyszy im przekaz energii oraz pędu (patrz rozdział 5).

Ruch falowy jest działem fizyki, w którym manifestuje się wyraźnie jedność i uniwersalność praw przyrody, ponieważ do opisu fal będziemy:

■    stosowali dynamikę Newtona (patrz rozdział 4),

■    odwoływali się do własności sprężystych ciał (patrz rozważania dotyczące rozchodzenia się fal sprężystych w rozdziale 4),

■    posługiwali się termodynamiką (patrz rozdziały 6 dotyczące wzoru Laplace’a i fal uderzeniowych (patrz rozdział 9.2)).

Będziemy mówili głównie o falach liniowych, które spełniają zasadę superpozycji (patrz podrozdział Interferencja fal) . Omówimy także krótko fale nieliniowe, których dobrym reprezentantem są solitony (patrz rozdział 9.2).

4

1

¹⁰Nie jest ruchem falowym tzw. fala w wojsku.

2

Zazwyczaj jest to ruch harmoniczny tłumiony.

¹²Zagadnienie to ma swoją długą historię związaną z postulatem istnienia hipotetycznego eteru, tj. wyimaginowanego ośrodka, w którym rozchodzą się fale elektromagnetyczne. Tego typu problemy były rozpatrywane i szeroko dyskutowane na przełomie XIX i XX wieku. Sformułowanie przez Einsteina szczególnej teorii względności położyło kres tego typu spekulacjom. Jednakże pojęcia próżni nie należy utożsamiać z absolutnie pustą przestrzenią będącą tutaj synonimem absolutnie niczego, ponieważ próżnia z punktu widzenia fizyki kwantowej ma swoją wewnętrzną strukturę (jest to przecież fragment czterowymiarowej czasoprzestrzeni), którą przyjdzie nam jeszcze dokładnie poznać. Zamiast próżni, mówimy w tym przypadku o polu jako o ośrodku, w którym propagują się fale.