3813100790

Niektóre fale występujące w naturze nie są ani poprzeczne ani podłużne. Przykładem służą fale rozchodzące się po powierzchni dostatecznie głębokiej wody. Torem ruchu cząsteczek wody znajdujących się na powierzchni jest okrąg.

Innym rodzajem fal są tzw. paczki falowe oraz impulsy falowe (czego dobrym przykładem jest pojedynczy impuls rozchodzący się wzdłuż naciągniętego sznurka).

2.1. Prędkości stowarzyszone z ruchem falowym

Rozpatrując ruch biegnącej fali monochromatycznej powinniśmy zdawać sobie sprawę z tego, że poszczególne fragmenty ośrodka sprężystego, które podlegają odkształceniom, drgają (zazwyczaj harmonicznie)²⁰ wokół swoich ustalonych położeń równowagi i nie propagują się razem z falą biegnącą w ośrodku! To co my obserwujemy jako falę stanowi relacje w jakich pozostają ze sobą fazy drgań poszczególnych części ośrodka sprężystego.

Z każdą falą sprężystej stowarzyszone są trzy rodzaje prędkości. Są one powiązane ze sobą określonymi zależnościami matematycznymi i odnoszą się do całkowicie odmiennych zjawisk fizycznych towarzyszących propagacji fali sprężystej.

1.    Prędkość cząstek - jest to prędkość chwilowa v (np. drgań harmonicznych) ruchu cząsteczek (punktów) ośrodka sprężystego wokół ustalonych położeń równowagi; źródłem tego ruchu jest rozchodząca się fala.

2.    Prędkość fazowa (falowa) jest to prędkość c z jaką przemieszcza się w ośrodku powierzchnia stałej fazy (np. garby lub doliny fali biegnącej w sznurku z przykładu 2) drgań cząsteczek ośrodka.

Pod pojęciem powierzchni fazowej rozumiemy tutaj miejsce geometryczne punktów ośrodka sprężystego, w których faza drgań cząstek ośrodka jest taka sama.

Pojęcie to omawiamy szczegółowo w dalszej części wykładu.

Powierzchnia stałej fazy może przyjmować różne kształty. My będziemy się dalej zajmowali sprężystymi falami płaskimi, tj. takimi dla których powierzchnia stałej fazy jest płaszczyzną. Jeśli obserwujemy ruch falowy w postaci rozchodzącego się ciągu garbów i dolin, to w rzeczywistości obserwujemy ruch oddzielnych oscylatorów harmonicznych (cząstek) ośrodka i w szczególności wszystkich tych oscylatorów leżących w jednej płaszczyźnie ośrodka, które w danym momencie obserwacji mają tę samą wartość fazy (innymi słowy, wychylenie punktów ośrodka, należących do tej płaszczyzny, z położeń równowagi jest takie samo). Dobrym przykładem fali płaskiej może służyć powierzchnia wody z umieszczonym na niej długim poziomym prętem wykonuj ącycm ruch harmoniczny prosty. Pręt, będąc źródlęm fali wytwarza, na powierzchni wody fale płaskie biegnące od pręta po całej powierzchni wody w naczyniu. Punkty leżące jednocześnie na powierzchni wody i płaszczyźnie pionowej do powierzchni wody i równoległej do pręta tworzą w danej chwili płaszczyznę fazową, ponieważ cząstki ośrodka (na powierzchni wody) mają takie samo wychylenie, tj. fazę drgań.

3.    Prędkość grupowa - jest to prędkość v_gr pakietu (grupy, paczki) fal (patrz poniżej). Ma ona duże znaczenie dla ruchu falowego ponieważ jest to prędkość z jaką przenoszona jest przez falę sprężystą energia. Fale z jakimi mamy zazwyczaj do czynienia są złożone z fal monochromatycznych, które są najprostrzym typem fal płaskich (patrz następny podrozdział).

²⁰Dobrym tego przykładem jest nieskończony naciągnięty sznur opisany wyżej, w którym falę wzbudza źródło umieszczone na jednym z jego końców.