FIZYKA - FALE

Fala to zaburzenie, które się rozprzestrzenia. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. W przypadku fal mechanicznych cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.

Charakterystyczne własności

Wszystkie fale wykazują następujące własności:

- odbicie - na granicy ośrodków fale zmieniają kierunek bez zmiany ośrodka

- załamanie - na granicy ośrodków fala przechodząc do drugiego ośrodka zazwyczaj zmienia kierunek swego ruchu

- dyfrakcja - zdolność do omijania przeszkód mniejszych niż długość fali, oraz powstawanie pasków dyfrakcyjnych na szczelinie albo wąskiej przeszkodzie

- interferencja - nakładanie się fal z różnych źródeł może doprowadzić do ich wzmocnienia lub wygaszenia

- rozszczepienie - załamanie fal zależne od ich długości powoduje rozkład fali na fale składowe, np. na pryzmacie

Fale poprzeczne i podłużne

Fale poprzeczne mają kierunek drgań prostopadły do kierunku rozchodzenia się - fale morskie, fale elektromagnetyczne. Fale podłużne drgają w tym samym kierunku, w którym następuje ich propagacja, np. fale dźwiękowe.

Polaryzacja

Fale poprzeczne mogą być spolaryzowane w jednym kierunku, co oznacza, że wszystkie drgania są w jednym kierunku. Większość źródeł fal generuje fale niespolaryzowane, w których drgania w różnych kierunkach się nakładają.

Przykłady fal

- fale morskie- rozchodzą się jako zaburzenia poziomu wody oraz ciśnienia wody

- fale dźwiękowe- rozchodzą się w powietrzu wodzie i ciałach stałych. W zależności od długości rozróżnia się dźwięki słyszalne, ultradźwięki, infradźwięki

- fale sejsmiczne- rozchodzące się w Ziemi

- fale elektromagnetyczne- w zależności od częstotliwości dzieli się na fale radiowe, mikrofale, światło (podczerwień, światło widzialne i ultrafiolet), promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma

- fale materii

- fale grawitacyjne

Zasada Huygensa (czytaj: hojchensa) mówi, iż każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te zwane są falami cząstkowymi i interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w ośrodku.

Efekt Dopplera to zmiana częstotliwości oraz długości fali zarejestrowana przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali.

Ogólnie należy rozpatrzeć trzy sytuacje dające trzy różne wzory :

- ruch źródła względem stałego obserwatora, a prędkość źródła względem obserwatora znacznie mniejsza od prędkości światła,

- ruch obserwatora względem stałego źródła, a prędkość źródła względem obserwatora znacznie mniejsza od prędkości światła,

- prędkość ruchu obserwatora względem źródła zbliżona do prędkości światła, czyli przypadek relatywistyczny.

Światło

Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm.

W nauce pojęcie światła jest jednak szersze (używa się pojęcia promieniowanie optyczne), gdyż nie tylko światło widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień można obserwować i mierzyć korzystając z podobnego zestawu przyrządów, a wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki.

Światło, które widzimy jako białe jest mieszaniną wszystkich barw. Każda barwa ma inną długość fali. Kolor czerwony ma największą długość, a fioletowe najkrótszą. Jeśli światło przechodzi przez granicę substancji przezroczystych o różnych prędkościach rozchodzenia się fali to część wiązki odbija się, a część załamuje się, czyli zmienia kierunek rozchodzenia się fali. Jeżeli światło przechodzi z powietrza do wody, to kąt załamania jest mniejszy niż promień padający; jeśli przechodzi z wody do powietrza, to kąt załamania jest większy od kąta padania.

Okazuje się, że każdy kolor załamuje się nieco inaczej. Najbardziej załamuje się kolor fioletowy, a najmniej czerwony. Po przejściu przez granicę dwóch ośrodków światło białe ulega, więc rozszczepieniu na poszczególne kolory, tworząc kolorowe widmo. Po jednokrotnym załamaniu rozszczepienie jest słabo widoczne, dlatego do otrzymania widma używamy pryzmatu, gdzie następuje dwukrotne załamanie.

Barwa biała - najjaśniejsza z barw. Jest to zrównoważona mieszanina barw prostych, która jest odbierana przez człowieka jako najjaśniejsza w otoczeniu odmiana szarości.

W skład widma światła białego może wchodzić od trzech do nieskończoności barw prostych, czyli długości fali świetlnej. Tak, więc jednej konkretnej barwy białej nie ma, natomiast istnieje pewien zakres odcieni od barwy lekko zażółconej bieli do bieli zaniebieszczonej, inaczej mówiąc od bieli ciepłej do bieli chłodnej. Wrażenie czystej, neutralnej bieli jest odbierane indywidualnie przez każdego człowieka i, pomijając cechy osobnicze obserwatora (wiek, stan zdrowia, bieżące samopoczucie), jest uzależnione od siły światła - w przypadku słabego oświetlenia jako barwę neutralnie białą odbieramy odcienie cieplejsze, a w miarę wzrostu oświetlenia wrażenie neutralnej bieli przesuwa się w kierunku odcieni chłodniejszych.

Pojęcie barwy ciepłej lub chłodnej jest również umowne, i tak, w produktach oświetleniowych u różnych producentów, ta sama wartość wyrażona w Kelwinach może być określana jeszcze jako barwa lekko ciepła, jako barwa neutralna (cokolwiek by to znaczyło), lub jako barwa już lekko chłodna. Ze szczególnie dużym rozrzutem wartości możemy się zetknąć w przypadku sztucznych źródeł światła określanych jako "barwa dzienna". Warto wiedzieć, że typowe dzienne oświetlenie naturalne to barwa już wyraźnie chłodna. Tak, więc ogólnie źródła światła białego możemy podzielić ze względu na temperaturę barwową kolejno na:

- ciepłe
- neutralne
- chłodne
- dzienne
- dzienne chłodne

Fale elektromagnetyczne

Weźmy pod uwagę pierwszą właściwość światła przemawiającą za tym, że fale świetlne to szczególny przypadek fal elektromagnetycznych, będącą charakterystyczną cechą wszystkich fal elektromagnetycznych - możliwość rozchodzenia się w próżni. Światło dociera do nas ze słońca pokonując wielkie obszary próżni, dociera do nas z odległych gwiazd czy galaktyk wędrując w próżni przez kilkadziesiąt czy kilkaset lat. Światło nie może, zatem być falą mechaniczną, która do rozprzestrzeniania się potrzebuje ośrodka sprężystego.
Drugą charakterystyczną cechą przemawiającą za tym, że światło jest falą elektromagnetyczną jest prędkość światła w próżni.

Promieniowanie nadfioletowe

Od strony fal krótszych obszar widzialny promieniowania świetlnego jest kończy się promieniowaniem fioletowym. Oko ludzkie potrafi odbierać fale o długości od około 400nm. Poniżej tej granicy rozciąga się obszar promieniowania, noszący nazwę promieniowania nadfioletowego.

Promieniowanie to nie jest już rejestrowane przez oko ludzkie ani przez zakończenia nerwowe skóry. Nie mniej w sposób pośredni można można stwierdzić istnienie tego promieniowania - pod jego wpływem ciemnieje skóra i pojawia się opalenizna.

Promieniowanie nadfioletowe wysyłane jest między innymi w trakcie spawania i dlatego spawacz musi chronić nie tylko oczy, ale i twarz i ręce przed oparzeniami. Promieniowanie nadfioletowe dociera do mas ze słońca i gdyby nie warstwa atmosfery byłoby ono zabójcze dla życia. Atmosfera powoduje, że do powierzchni Ziemi dociera tylko niewielka część promieniowania i to o długościach fal > 280nm. Ta dawka wystarczy, aby poparzyć ciało.
Woda i szkło odbijają promieniowania nadfioletowe.

Promieniowanie podczerwone

Jak wiemy, od strony fal długich widmo promieniowania świetlnego ograniczone jest światłem o barwie czerwonej. W sposób ciągły przechodzi ono w promieniowanie elektromagnetyczne, zwane promieniowaniem podczerwonym, Jest to promieniowanie, którego długość fali l=760nm. Promieniowanie to odkrył w roku 1800 uczony angielski W. Herschel. Wbrew pozorom z tym promieniowaniem mamy do czynienia bardzo często. Nie stwierdzamy wprawdzie jego istnienia zmysłem wzroku, nie mniej jesteśmy w stanie wyczuć obecność tego promieniowania. Zbliżając rękę do rozgrzanego żelazka lub piecyka czujemy bijące od niego ciepło. Pod tym potocznym sformułowaniem rozumiemy emitowanie przez żelazko czy piecyk fal odczuwalnych przez zmysł dotyku.

Promieniowanie podczerwone pod wieloma względami zachowuje się tak, jak promieniowanie świetlne. Rozchodzi się w próżni, może być rejestrowane za pomocą aparatu fotograficznego na specjalnie przystosowanej kliszy fotograficznej. Promieniowanie podczerwone można skupiać za pomocą zwierciadeł.
Promieniowanie podczerwone znalazło szerokie zastosowanie w wojsku. Korzystając z noktowizorów można przeprowadzić obserwację terenów w nocy w zupełnej ciemności.

Falowanie - ruch przypowierzchniowych warstw wody w zbiornikach wodnych, wywołany zazwyczaj podmuchami wiatru. Energia wiatru zmienia się w energię kinetyczną cząsteczek wody na skutek tarcia na styku wody i powietrza. Cząsteczki wody poruszają się po zamkniętych orbitach kołowych.
Wysokość i długość fali zależy od takich czynników jak prędkość wiatru, jego stałość czy głębokość akwenu.

Fale sejsmiczne - fale sprężyste rozchodzące się w Ziemi, powstałe wskutek trzęsień ziemi lub wywołane przez eksplozję materiałów wybuchowych.
Rodzaje fal sejsmicznych:

- fale wgłębne - rozchodzące się wewnątrz Ziemi,

-fale powierzchniowe - rozchodzą się po powierzchni Ziemi, od epicentrum trzęsienia; są najbardziej katastrofalne w skutkach,

Fale materii, zwane też falami de Broglie'a jest to, alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego), sposób postrzegania obiektów materialnych. Według hipotezy dualizmu korpuskularno-falowego każdy obiekt może być opisywany na dwa sposoby: jako cząstka/obiekt materialny albo jako fala (materii).

Fale radiowe (promieniowanie radiowe) - promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz - 3 THz .Zakres częstotliwości często jest podawany znacznie szerszy. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.
Źródła fal radiowych:

- naturalne: wyładowania atmosferyczne, gwiazdy,

-sztuczne

+zamierzone: nadajnik,

+zakłócenia: silniki komutatorowe, komputery

Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się:

- falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną),

- falę troposferyczną,

- falę jonosferyczną,

- falę w przestrzeni kosmicznej.

Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami radiowymi, co oznacza zakres 1mm-30cm (częstotliwość 1-300 GHz). Mikrofale odkrył James Clerk Maxwell w 1864 roku.

Fale dźwiękowe to rodzaj fal ciśnienia. Media, w których mogą się poruszać, to ośrodki sprężyste (ciało stałe, ciecz, gaz). Drgania mają kierunek oscylacji zgodny z kierunkiem ruchu fali (fale podłużne). Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić trzy rodzaje tych fal:

- infradźwięki - poniżej 20Hz,

- dźwięki słyszalne 20Hz - 20kHz - słyszy je większość ludzi,

- ultradźwięki - powyżej 20kHz.

Fala uderzeniowa cienka warstwa, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu i prędkości ruchu gazu, rozchodząca się się szybciej niż dźwięk. Fale uderzeniowe powstają podczas silnego wybuchu, ruchu ciała z prędkością ponaddźwiękową (np. samolot).

Powstawanie fali uderzeniowej

Gdy w gazie porusza się ciało to nadaje ono cząsteczkom zderzającym się z nim dodatkową prędkość. Jeżeli prędkością tego ciała jest mniejsza od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki przekazują sobie w wyniku zderzeń prędkość, a zaburzenie to jest obserwowane jako dźwięk.Jeżeli ciało ma prędkość większą od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki nie "nadążają z przekazywaniem" energii poprzedzającym je cząsteczkom, powstaje obszar, w którym gwałtownie rośnie ciśnienie oraz prędkość cząsteczek (szczególnie w jednym kierunku).

5

---