Wykład z biofizyki dla studentów kierunku
 Analityka medyczna
Ruch falowy
Zjawiska fizyczne dotyczÄ…ce fal
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
Ruch falowy - podstawy
" Fala  periodyczne zaburzenie rozprzestrzeniajÄ…ce siÄ™
w ośrodku (w przestrzeni). Fale przenoszą energię z
jednego miejsca do drugiego bez transportu materii.
" Fale poprzeczne - kierunek drgań jest prostopadły do
kierunku rozchodzenia siÄ™ fali (np. fale morskie, fale
elektromagnetyczne).
" Fale podłużne - drgania odbywają się w tym samym
kierunku, w którym następuje propagacja fali (np. fale
dz
więkowe).
Ruch falowy - podstawy
" Parametry opisujÄ…ce falÄ™:
częstotliwość (f) [Hz]
prędkość propagacji (c) [m/s]
długość fali (l) [m]
natężenie fali (I) [J/(m2·s)]
Ruch falowy - podstawy
Częstotliwość (f) określa liczbę cykli zjawiska
okresowego występujących w jednostce czasu. W
układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz).
Prędkość propagacji (v) prędkość przenoszenia
informacji i energii przez falÄ™.
Długość fali (l) - najmniejsza odległość pomiędzy
dwoma punktami o tej samej fazie
Ruch falowy - podstawy
Natężenie fali  miara energii fali , której jednostką
jest W/m2.
Jest ono równe średniej wartości strumienia energii
fali przepływającego w czasie 1 s przez jednostkowe
pole powierzchni (1 m2) zorientowanej prostopadle do
kierunku rozchodzenia siÄ™ fali.
Ruch falowy - podstawy
Najprostszym rodzajem fali
jest fala harmoniczna (fala
sinusoidalna).
Ruch falowy - podstawy
" Fale rozchodzą się prostoliniowo (w ośrodkach
jednorodnych),
" Częstotliwość fal pozostaje stała podczas propagacji w
statycznym ośrodku.
" Długość fali zależy od częstotliwości  większa
częstotliwość to mniejsza długość fali.
" Natężenie fal maleje podczas propagacji w ośrodku
Najważniejsze zjawiska w ruchu falowym
Odbicie - po dojściu do granicy ośrodków fale zmieniają
kierunek poruszając się nadal w tym samym ośrodku
Kąt odbicia jest równy kątowi
padania, a promień padający,
promień odbity i normalna do
powierzchni odbicia leżą w
jednej płaszczyz
nie.
W wyniku odbicia zmienia siÄ™
tylko kierunek rozchodzenia
siÄ™ fali.
Najważniejsze zjawiska w ruchu falowym
Załamanie - zmiana kierunku biegu fali na granicy
ośrodków, w których porusza się z różnymi prędkościami.
Najważniejsze zjawiska w ruchu falowym
- dyfrakcja
Dyfrakcja  uginanie się fali na krawędziach (zaburzenie
prostoliniowego rozchodzenia siÄ™ fal)
(czego skutkiem jest zdolność do omijania przeszkód
mniejszych niż długość fali).
Dyfrakcja
Dyfrakcji fala ulega tylko na takich szczelinach, których
rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej
d >>   dyfrakcja nie
d H"   dyfrakcja zachodzi.
występuje
Dyfrakcja na dwóch szczelinach
Warunek zajścia dyfrakcji
Najważniejsze zjawiska w ruchu falowym
- interferencja
Interferencja  nakładanie się spójnych fal z różnych
z
ródeł, które prowadzi do wzmocnienia lub
wygaszenia siÄ™ fal.
Warunkiem interferencji fal jest ich spójność,
tzn. korelacja faz, amplitudy i częstotliwości
Kierunek drgań w fali poprzecznej
Najważniejsze zjawiska w ruchu falowym
Polaryzacja  sprowadzenie drgań do wybranego
kierunku w płaszczyz
nie prostopadłej do kierunku
rozchodzenia siÄ™ fali.
Polaryzacja dotyczy fali poprzecznej.
Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym
kierunku.
Najważniejsze zjawiska w ruchu
falowym - Efekt Dopplera
Efekt Dopplera - to zmiana częstotliwości i długości
fali odbieranej przez odbiornik dz
więku w stosunku do
fali emitowanej przez z
ródło, gdy z
ródło fali i odbiornik
są względem siebie w ruchu.
c
f ' =ð f ×ð
( c mð v )
s
Gdzie: f - odbierana częstotliwość, f- częstotliwość ze z
ródła, c-
prędkość dz
więku w ośrodku, vS- prędkość z
ródła fali w stosunku
do odbiornika.
f '-ð f =ð f
D
fD  zmiana częstotliwości, (przesunięcie dopplerowskie)
Zastosowania efektu Dopplera
Pomiar prędkości
" Radar dopplerowski
" Diagnostyka medyczna
" Astrofizyka
" Poszerzenie linii spektralnych
Fale mechaniczne
W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka,
w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół
położenia równowagi, przekazując sobie energię.
Fale na wodzie to
przykład fali
mechanicznej
poprzecznej
Fale akustyczne
 rozchodzące się w ośrodku drgania cząsteczek
ośrodka w postaci fali podłużnej, któremu towarzyszą
zaburzenie gęstości (i ciśnienia),
Falą akustyczną nazywa się zarówno taką falę
podłużną, która powoduje wrażenie słuchowe, jak i
fale o częstotliwościach i amplitudach poniżej i
powyżej zakresu ludzkich zmysłów.
Dz
więk
Wrażenie słuchowe spowodowane
falÄ… akustycznÄ… rozchodzÄ…cÄ… siÄ™
w ośrodku sprężystym (ciele
stałym, płynie, gazie).
Częstotliwości fal, które są
słyszalne dla człowieka, zawarte są
w paśmie między wartościami
granicznymi od ok. 16-20 Hz do ok.
16-20 kHz.
Natężenie dz
więków słyszalnych
musi przekraczać próg
słyszalności.
Dziękuję !