Przeczytaj
Warto przeczytać
Co znaczy dyfrakcja?
Źródłosłów łaciński tego wyrazu, czasownik diffringo (jego imiesłów przymiotnikowy bierny to diffractus), oznacza rozbić, rozproszyć, rozrzucić. Dyfrakcja fali rzeczywiście polega na zniesieniu pewnego obecnego w niej uporządkowania. Dość sugestywny jest także polski wyraz ugięcie fali, równoznaczny z dyfrakcją fali.
Podstawowe właściwości fali
W e‑materiale „Fale na powierzchni wody” (przypomnij go sobie w razie potrzeby) mowa jest o powierzchni falowejpowierzchni falowej i przykładowych jej kształtach. W przypadku punktowego źródła rozchodzi się wokół niego fala kolista. Z kolei dla uzyskania fal płaskich na wodzie, choćby w ograniczonym obszarze, niezbędne są źródła rozciągłe, w kształcie odcinka. Często przywoływanymi przykładami powierzchni falowych są tzw. grzbiety fal oraz ich doliny.
Odległość pomiędzy dwiema kolejnymi powierzchniami falowymi, w których ruch punktów jest opóźniony o jeden okres fali (np. pomiędzy dwoma kolejnymi grzbietami fali) to długość fali , zależna od okresu i od prędkości rozchodzenia się fali :
Linie prostopadłe do powierzchni falowych to promienie fali. Wyznaczają one kierunek rozchodzenia się fali kolistej czy płaskiej. Przytoczona w przywołanym e‑materiale zasada Huygensa, opisująca propagację fal, pozwala oczekiwać, że gdy pojedyncza fala rozchodzi się w jednorodnym ośrodku, to kształt jej powierzchni falowych nie ulega zmianie.
Dyfrakcja: zmiana kształtu fali i nowe kierunki jej rozchodzenia się
Jednak zmiana kształtu fali jest możliwa, gdy w ośrodku znajdują się przeszkody, ogólniej: niejednorodności, które wpływają na propagację fali. Przyjrzyj się - pod tym kątem - zdjęciu z e‑materiału „Fale na powierzchni wody” (Rys. 1). Krawędź deski (na dalszym planie) rytmicznie uderzająca w powierzchnię wody jest źródłem fali płaskiej. Po dotarciu do barierki (na bliższym planie) fala ta przeszła przez szczelinę w środku i rozeszła się (na planie najbliższym) jako fala bardziej podobna do kolistej niż do płaskiej. Taką zmianę kształtu przypisujemy zjawisku dyfrakcji.
Zwróć też uwagę na kierunek rozchodzenia się fali. Przed przejściem przez szczelinę poruszała się wyłącznie w kierunku obserwatora. Po przejściu przez szczelinę pojawiły się nowe kierunki propagacji, związane właśnie z obecnością przegrody i szczeliny oraz z jej rozmiarem. Takie nowe kierunki wiążemy ze zjawiskiem dyfrakcji.
Trzeba pamiętać, że dyfrakcja nie polega wyłącznie na zmianie dotychczasowego kierunku biegu fali na inny. Taka zmiana kierunku propagacji jest raczej cechą odbicia lub załamania falizałamania fali. Więcej o tych zjawiskach dowiesz się z e‑materiału „Opisujemy zjawisko odbicia i załamania fali na granicy dwóch ośrodków różniących się prędkością rozchodzenia się fal”.
Długość fali a charakterystyczny rozmiar przeszkody (niejednorodności)
Na Rys. 2. przedstawiono, dla fali rozchodzącej się na powierzchni wody, efekt jej dyfrakcji na szczelinie. Na zdjęciu wykonanym z góry fala płaska rozchodzi się od lewego jego brzegu w prawo, trafia na szczelinę o szerokości około dwu‑trzykrotnie większej niż długość fali (zweryfikuj tę relację na zdjęciu!) i ugina się na niej.
Na Rys. 1. szerokość jest niewiele większa niż (zweryfikuj to także!), na Rys. 2. szczelina jest więc relatywnie szersza. Skutkiem tego jest nieco bogatszy obraz fali ugiętej. Zwróć uwagę na takie jego cechy:
1. W bezpośredniej bliskości za szczeliną rozpoznawalny jest fragment fali podobnej do płaskiej, rozchodzącej się w prawo. W miarę rosnącej odległości od szczeliny fragment ten przybiera kształt fali kulistej.
2. W kierunkach „w prawo, w górę” i „w prawo, w dół” rozchodzą się falę podobne do kulistej.
3. W każdym z tych poprzecznych kierunków widoczne są także dwa „pasy rozdzielające”, tym wyraźniejsze, im dalej od szczeliny. Mają one kolor pośredni pomiędzy jasnymi grzbietami a ciemnymi dolinami fal. Są to pasy stosunkowo niskiej amplitudy drgań powierzchni wody; w modelowych warunkach mogłoby tam dojść do całkowitego zaniku falowania. Więcej o tej możliwości, związanej z interferencją falinterferencją fal, przeczytasz w e‑materiale „Jak wyjaśnić zjawisko interferencji fal?”.
Jakościowy związek obrazu dyfrakcyjnego ze stosunkiem rozmiaru przeszkody i długości fali
Zwykle stosuje się następującą praktyczną regułę: niech wielkość oznacza stosunek rozmiaru przeszkody (niejednorodności) w ośrodku i długości fali ,
Zależnie od wartości wyróżniamy:
1. Obszar „czystej dyfrakcji”. Gdy , od przeszkody rozchodzi się (przechodzi lub odbija się) fala praktycznie kulista, niezależnie od kształtu fali padającej. Fala taka interferuje, w sposób zauważalny, jedynie z falą padającą. W miarę wzrostu rozmiaru przeszkody lub malenia długości fali, czyli zbliżania się do jedności, pojawia się coraz bardziej czytelna struktura interferencyjna w fali ugiętej.
2. Obszar „dyfrakcji z interferencją”. Gdy , aż po wartości rzędu , od przeszkody rozchodzi się fala, która jest wynikiem interferencji zachodzącej w obrębie fali ugiętej. Niezależnie od tego fala ta może nakładać się na falę padającą. Im większa wartość , tym struktura interferencyjna staje się coraz drobniejsza i przez to mniej czytelna.
3. Obszar „braku dyfrakcji”. W miarę wzrostu wartości , w okolicach , zanikają charakterystyczne cechy ugięcia. Fala zachowuje swój kształt po odbiciu, a fala przechodząca zachowuje swój kierunek propagacji. Efekty związane z interferencją zanikają zupełnie. Obszar ten nazywany jest czasami przybliżeniem geometrycznym rozchodzenia się fali.
Podane tu zakresy wartości są orientacyjne - granice pomiędzy wyróżnionymi obszarami nie są ostre i wymagają każdorazowo odpowiedniego zbadania.
Podsumowanie
Dyfrakcja jest charakterystyczna dla falowego opisu zjawiska. Związana jest z niejednorodnościami ośrodka, od najdrobniejszych, w skali atomowej, aż po makroskopowe, w postaci przeszkód częściowo pochłaniających lub odbijających falę i częściowo ją przepuszczających. Dyfrakcja objawia się zmianą kształtu fali ugiętej oraz pojawianiem się nowych kierunków jej propagacji w niejednorodnym ośrodku. Więcej na temat dyfrakcji znajdziesz w e‑materiale „Jak w sposób jakościowy opisać dyfrakcję fali na przeszkodzie?”.
Zjawiska, do których stosujemy opis falowy, są bardzo różnorodne. Obejmują optykę oraz inne fale elektromagnetyczne, akustykę, czyli dźwięki, ultradźwięki i infradźwięki, a także wiele innych rodzajów fal mechanicznych, jak na przykład fale sejsmiczne w skorupie ziemskiej. Zakres długości fal, z jakimi mamy do czynienia, obejmuje wiele rzędów wielkości. Podobnie, rozmiary niejednorodności i przeszkód, na których może występować dyfrakcja, są bardzo silnie zróżnicowane. To powoduje, że poznanie ogólnej definicji dyfrakcji może mniej znaczyć niż zapoznanie się z konkretnymi przykładami jej występowania, jak i z praktycznymi jej zastosowaniami.
Dyfrakcja: zjawiska, przykłady i zastosowania
W naszych codziennych obserwacjach światło zdaje się podlegać prawom optyki geometrycznej. Podstawowe z nich głosi, że promienie światła w jednorodnym ośrodku, jakim jest powietrze, poruszają się prostoliniowo. Wynika stąd istnienie cienia. Dla najprostszego przypadku światła wysyłanego ze źródła punktowego przedstawia to Rys 3.1.:
Wiemy jednak, że światło może być opisywane jak fala. Łącząc te dwie informacje, moglibyśmy oczekiwać, że fale świetlne będą się zachowywać tak, jak to przedstawia Rys. 3.2.
Wiesz jednak, że tak nie jest. Prawa optyki geometrycznej mają bowiem ograniczony zakres stosowalności. Stosowanie ich jest tym lepszym przybliżeniem, im rozmiary przesłon bądź otworów są większe w porównaniu z długością fali światła. Dla światła widzialnego są to długości z zakresu od 400 do 700 nanometrów, czyli poniżej jednego mikrometra (mikrometr to 10Indeks górny -6-6 m). Rozmiary typowych otaczających nas przedmiotów to milimetry, metry i więcej. To od trzech do co najmniej sześciu rzędów wielkości więcej niż długość fali światła widzialnego.
Odstępstwa od optyki geometrycznej pojawiają się jednak wyraźnie, kiedy rozmiary otworów lub przesłon stają się porównywalne z długością fali światła. Wtedy obserwowalna jest dyfrakcja fal świetlnych. Bardziej zbliżony do rzeczywistości jest więc schemat pokazany na Rys. 3.3.
Schemat pokazuje, że nie istnieje obszar cienia ostro odgraniczonego od obszaru oświetlonego. Fale świetlne wnikają w obszar „zasłonięty”, rozchodząc się za przeszkodą w kierunkach nieprzewidzianych zasadami optyki geometrycznej. Natężenie światła w tych obszarach jest mniejsze niż w części „oświetlonej geometrycznie” - tym mniejsze im głębiej wnikamy w zasłonięty obszar.
Doświadczenie
Obserwacja dyfrakcji światła na szczelinie
Do doświadczenia potrzebny jest wskaźnik laserowy, szczelina o regulowanej szerokości i ekran, na przykład biała ściana (Rys. 4.).
Użycie światła laserowego zapewnia, że mamy do czynienia ze światłem monochromatycznym, czyli o jednej długości fali.
Wyniki obserwacji:
Kiedy szczelina jest szeroka, na ekranie widzimy plamkę o rozmiarach kilku milimetrów.
Wraz ze zmniejszaniem szerokości szczeliny szerokość plamki początkowo maleje, zgodnie z prawami optyki geometrycznej.
Po osiągnięciu określonej szerokości szczeliny obraz się zmienia: zmniejszanie szerokości szczeliny powoduje wzrost szerokości plamki świetlnej na ekranie.
Ponadto pojawia się charakterystyczna struktura (Rys. 5.): w środku plamka jasna, a po bokach w równych odległościach plamki jasne przedzielone ciemnymi obszarami.Dalsze zmniejszanie szerokości szczeliny nie zmienia charakteru obrazu, powoduje jednak stopniowe jego poszerzanie. Cały obraz stopniowo staje się też coraz ciemniejszy.
Doświadczenie pokazuje, że do fal nie da się sensownie stosować praw optyki geometrycznej, gdy rozmiar niejednorodności (tutaj jest to szczelina) jest odpowiednio mały. Światło ugina się i dostaje do obszaru niedozwolonego z punktu widzenia optyki geometrycznej. W powstawaniu obrazu na ekranie udział ma, prócz dyfrakcji, także interferencja.
Dyfrakcja występuje nie tylko na szczelinach, może być wywoływana również przez przeszkody. Przykład takiej sytuacji - dla fal na powierzchni wody - przedstawiono na Rys. 6. Przeszkodą jest ustawiony na dnie zbiornika walec, który jednak nie jest w całości zalany wodą. Zdjęcie wykonano, gdy wiązka płaskich impulsów falowych, nadchodząca z lewej strony, częściowo minęła już przeszkodę. Uruchom następnie dwie krótkie animacje 6.1 oraz 6.2 i prześledź powstawanie fali ugiętej na takiej przeszkodzie. Zwróć uwagę na wpływ interferencji (nakładania się) fali ugiętej i fali padającej.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RQkrkUiz8H7uy
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R6coOClclwotL
Doświadczenie
Obserwacja rozproszenia światła na zawiesinie
Przygotuj:
- wskaźnik laserowy (dowolnego koloru),
- naczynie z przezroczystymi ściankami (może być pudełko plastikowe),
- wodę, którą wypełnisz naczynie,
- niewielką ilość (około 10 ml) mleka,
- łyżeczkę do zamieszania wody po dodaniu mleka.
Konieczne będzie też zaciemnienie pomieszczenia - doświadczenie warto wykonać wieczorem przy zgaszonych światłach.
1. Ustaw przyrządy zgodnie ze schematem na Rys. 7. Przekonaj się, że wiązka laserowa przechodzi przez wodę, natomiast bardzo niewiele światła rozchodzi się w kierunkach prostopadłych do wiązki.
2. Powtórz obserwację po dolaniu do wody niewielkiej ilości mleka. Możesz zacząć od kilku kropel; pamiętaj o lekkim zmieszaniu wody. Po wstępnej obserwacji dolej nieco więcej mleka. Każda taka czynność osłabi natężenie wiązki przechodzącej przez naczynie.
Zwróć jednak uwagę na zwiększenie natężenia światła rozproszonego w kierunku prostopadłym do wiązki. Odniesiesz wrażenie, że ciecz w naczyniu pojaśniała.
Jest to wynik dyfrakcji światła na niejednorodnościach w cieczy. Mleko stanowi zawiesinę kuleczek tłuszczu o średnicy kilku mikrometrów i one właśnie są przeszkodami, na których ugina się wiązka. Światło rozchodzi się teraz praktycznie we wszystkich kierunkach, co obserwujemy makroskopowo jako jego rozproszenie (Rys. 8.).
Z rozpraszaniem światła mamy do czynienia nie tylko w cieczach. Także gazy, w tym powietrze atmosferyczne, mogą zawierać zawiesiny. Obecność tych ostatnich powoduje ugięcie światła. Najbardziej znanym skutkiem jest błękitny kolor nieba. O tych i innych aspektach rozproszenia światła na zawiesinach możesz przeczytać w e‑materiale „Na czym polega zjawisko Tyndalla?”.
Dyfrakcja promieni Roentgena
Z punktu widzenia badań budowy materii ogromne znaczenie ma dyfrakcja promieni Roentgena (promieni X). Długość ich fali mieści się, orientacyjnie, w zakresie od 10Indeks górny -12-12 do 10Indeks górny -9-9 m. Promienie X są zatem znakomicie przystosowane - z punktu widzenia dyfrakcji - do rozmiarów atomów i cząsteczek chemicznych, które są rzędu 10Indeks górny -10-10-10Indeks górny -9-9 m. Badając dyfrakcję tych promieni na układach atomów, na cząsteczkach i kryształach, uzyskujemy wiele informacji o składzie i przestrzennej strukturze materii.
Więcej informacji o tym aspekcie dyfrakcji znajdziesz w e‑materiale „Jak można badać strukturę ciał stałych za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej?”.
Zjawisku dyfrakcji ulegają również fale dźwiękowe. Zakres długości fal dźwiękowych słyszalnych przez człowieka jest porównywalny z rozmiarami otaczających nas przedmiotów. Prędkość dżwięku w powietrzu to ok. . Możemy wyznaczyć długości fal odpowiadające progom słyszalności:
(dolny próg słyszalności), wtedy ,
(górny próg słyszalności), wtedy .
W typowym otoczeniu, w jakim żyjemy, ten zakres długości fal jest bardzo zbliżony do rozmiarów przedmiotów, z jakimi mamy do czynienia. Do dyfrakcji fal dźwiękowych na tych przedmiotach jesteśmy więc tak przyzwyczajeni, że nie zwracamy na nią uwagi.
Przedstawia to żartobliwie Rys. 9. Pies jest widoczny dla kota siedzącego na murze, ale dla człowieka nie. Człowiek znajduje się w geometrycznym cieniu fali dźwiękowej. Cień ten jest „rzucany” przez mur. Kot odbiera więc szczekanie bez żadnych dodatkowych efektów. Człowiek, mimo że psa nie widzi, na pewno słyszy jego szczekanie dzięki ugięciu fali.
Warto przy tym pamiętać, że - zależnie od otoczenia, w którym rozgrywa się ta scenka - szczekanie może dochodzić do człowieka także wskutek odbicia dźwięku od budynków czy innych przeszkód. Dlatego badanie dyfrakcji dźwięku wymaga bardzo starannego wyeliminowania ewentualnych innych źródeł wtórnych i pozostawienia wyłącznie fali ugiętej.
Można też zadać pytanie: czy stosowanie geometrycznego opisu do fal dźwiękowych jest uzasadnione? Odpowiedź jest twierdząca, gdy opis geometryczny nie prowadzi do zauważalnych niezgodności z obserwacją. Jest tak wtedy, gdy opisujemy fale o długościach znacznie mniejszych od rozmiarów niejednorodności (przeszkód), na jakie fale te natrafiają.
Przykładem może być mikroskop ultradźwiękowy, za pomocą którego uzyskuje się powiększone obrazy nieprzezroczystych struktur, w tym struktur w żywych organizmach. Częstotliwość używanych fal jest rzędu stu megaherców i więcej. Przy prędkości dźwięku w badanym materiale rzędu długość rozchodzącej się fali jest rzędu dziesięciu mikrometrów i mniej.
Dyfrakcję fal akustycznych wykorzystuje się w sonarachsonarach. Pierwsze takie urządzenia zaczęto budować na początku XX wieku. Składają się one z systemu nadajników oraz odbiorników ultradźwięków, typowo o częstotliwości rzędu dziesiątek kiloherców. Fale ze statku są nadawane w kierunku dna, w postaci wiązki zawierającej szereg krótkich impulsów. Fale te mogą:
ulegać dyfrakcji na stosunkowo niewielkich obiektach w głębi wody;
odbijać się od dna morskiego czy dużych obiektów.
Powracające do statku fale są rejestrowane i analizowane przez detektory. Mierząc czas od wysłania wiązki do jej powrotu i znając prędkość fal ultradźwiękowych w wodzie, możemy wyznaczyć odległość do obiektów rozpraszających. Mierząc amplitudy fal, możemy określić zdolność odbiciową przeszkody oraz oszacować jej rozmiar. W ten sposób możemy wykrywać ławice ryb czy statki podwodne, a także określać głębokość morza.
Współcześnie używane są systemy sonarów wielowiązkowych (Rys. 10.) Emitują one i analizują odbicia dużej liczby wiązek, wysyłanych w powiązanych ze sobą kierunkach, w ustalonych odstępach czasu. Dostarczają one danych do aktualizacji map morskich. Pozwalają też wykryć nowopojawiające się przeszkody, zarówno naturalne (np. wskutek ruchów tektonicznych dna morskiego), jak i związane z działalnością człowieka (np. minowanie portów w związku z działaniami zbrojnymi).
Na zbliżonej zasadzie działa sonar delfinów. Emitują one wiązki ultradźwięków, o częstotliwości do 200 kHz, nie tylko w kierunku dna. Prędkość rozchodzenia się tych impulsów jest rzędu dwóch kilometrów na sekundę, więc długość wykorzystywanej fali jest rzędu jednego centymetra. Delfiny potrafią zatem rozróżniać rozmiary i kształty całkiem niewielkich obiektów. Jednak nie rozumiemy jeszcze wielu szczegółów działania ich systemu echolokacji.
Na zasadzie analogicznej do sonaru działa radarradar, którego zastosowania cywilne i wojskowe są powszechnie znane. Zasadnicza różnica polega na tym, że wykorzystuje on nie fale akustyczne, ale elektromagnetyczne, zwykle o długości ok. 3 cm.
Wiele zwierząt ma zmysły działające jak sonar. Prócz delfinów najlepiej znane są nietoperze, których system echolokacyjny działa w powietrzu. Nietoperz wykorzystuje zjawisko dyfrakcji do wykrywania i rozpoznawania np. owadów. Wysyła krótkie „okrzyki” - są to odpowiedniki wiązek fal ultradźwiękowych wysyłanych przez sonar. W najprostszym ujęciu rozróżnia się dwa rodzaje okrzyków; różnią się czasem trwania oraz częstotliwością. Służą także nieco innym celom.
Animacje A1 i A2 przedstawiają rozchodzenie się i ugięcie jednego impulsu - odpowiednika sekwencji jednego grzbietu fali i jednej doliny. Choć nietoperz nigdy nie nadaje pojedynczego impulsu, to animacje pozwolą Ci prześledzić efekt dyfrakcji w najprostszym możliwym ujęciu. Impuls ugina się na owadzie o rozmiarze , a fala ugięta podąża między innymi w kierunku nietoperza. Różnica pomiędzy impulsami w tych animacjach wynika z czasu ich trwania (odpowiednik okresu fali) i powiązanej z nim długości impulsu (odpowiednik długości fali ). Czy potrafisz opisać - jakościowo - różnice pomiędzy uzyskanymi obrazami dyfrakcyjnymi?
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1IwXQHMzt4hY
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1LrrRTfgcGpj
Faza 1. Ogólny przegląd otoczenia - wykrywanie celu
Do orientowania się w otoczeniu i do wykrywania potencjalnych ofiar (owadów) nietoperz stosuje okrzyki o orientacyjnej częstotliwości 20 kHz. Każdy okrzyk trwa około 10 ms. Jak łatwo więc obliczyć, okrzyk zawiera około 200 impulsów. Taką serię impulsów możesz sobie wyobrażać, oczywiście w przybliżeniu, jako kulistą falę sinusoidalną. Odpowiada jej długość fali rzędu kilkunastu milimetrów.
Emitowane dźwięki ulegają dyfrakcji na różnych obiektach, w tym na owadach o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Falę ugiętą, o kształcie zbliżonym do kulistego, nietoperz rejestruje uszami w przerwach pomiędzy emisją okrzyków i na tej podstawie wyznacza położenie centrum rozpraszającego. Schematyczny przebieg tego procesu przedstawiony jest na animacji A3.
Faza 2. Atak i rozpoznanie celu
Po namierzeniu odpowiednio małego i „potencjalnie atrakcyjnego” centrum rozpraszającego nietoperz może podjąć decyzję o ataku. Kieruje się ku owadowi i zmienia charakter okrzyków. Stają się one znacznie krótsze, rzędu 1 ms, skraca się też czas między nimi. Wzrasta częstotliwość nadawanego dźwięku, nawet do 100 kHz. Dzięki skróceniu długości padającej fali do kilku milimetrów, fala ugięta na owadzie zawiera teraz informacje o niektórych szczegółach jego budowy. Nietoperz rozpoznaje te szczegóły i, zależnie od wyniku, doprowadza atak do końca albo rezygnuje i odlatuje. Schematyczny przebieg fazy „rozpoznania celu” przedstawiony jest na animacji A4.
Zobacz - orientacyjnie - co słyszy nietoperz
Obejrzyj animacje A3 i A4. W każdej nietoperz nadaje jeden okrzyk zawierający siedem impulsów. Jest to więc także animacja uproszczona. Porównaj fale ugięte. Która z nich ma „bogatszą” strukturę? Zwróć też uwagę na cztery punkty zaznaczone kolorowymi kropkami. Symbolizują one inne możliwe położenia nietoperza, który przecież nasłuchuje echa swojego sygnału w locie. Czy do tych punktów dochodzą jednakowe przebiegi fali ugiętej, czy tylko nieco podobne? A może są one zdecydowanie różne? Czy fala dochodzi do punktu czerwonego? Leży on przecież za owadem - jest w jego cieniu.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RqA8NPkhfGCGt
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1RKuJDKreQEd
Obejrzane animacje są modelem rozchodzenia się i ugięcia fali nadawanej przez nietoperza. Jak każdy model, zawierają one uproszczenia, które pozwalają wyeksponować zasadniczy cel ich powstania: zbadanie jakościowych różnic w konfiguracji fali ugiętej wywołanych nadawaniem fal o dwóch długościach: porównywalnej z rozmiarem owada oraz kilkakrotnie mniejszej od niego.
Do najważniejszych uproszczeń należą:
Użycie dwuwymiarowej reprezentacji dla trójwymiarowej fali.
Przyjęcie, że powierzchnia owada składa się ze skończonej liczby oddzielnych punktów, z których każdy odbija padającą nań falę w postaci fali kulistej. Odległości pomiędzy tymi punktami są niewiele mniejsze od długości fali określanej mianem „krótszej”.
Założenie, że amplituda fali nie zmienia się wraz z odległością od źródła. Dotyczy to zarówno źródła pierwotnego (nietoperza) jak i źródeł wtórnych - punktów na powierzchni owada. Dodatkowo zakłada się, że każdy punkt odbija padające nań fale bez zmiany amplitudy. Skutkiem takiego założenia jest wrażenie, że ugięcie falpowoduje wzrost ich całkowitej energii.
Narzucenie, że dowolna fala wtórna, po określonej liczbie odbić (liczba ta jest różna w powyższych symulacjach, dla pojedynczych impulsów wynosiła 5), nie ulega dalszym odbiciom. Skutkiem tego jest nieco nienaturalne, gwałtowne zanikanie fali ugiętej rozchodzącej się od owada.
Możesz zapytać, dlaczego nietoperz nie używa wyłącznie trybu „rozpoznania”, także podczas poszukiwania ofiar. Przecież krótsze fale równie dobrze jak te dłuższe zapewniłyby mu ogólną orientację w otoczeniu. Okazuje się jednak, że generowanie okrzyków krótkich ale częstych, w połączeniu z wytwarzaniem drgań o wysokiej częstotliwości silnie obciąża aparat nadawczy zwierzęcia. Jest też bardzo kosztowne energetycznie. Te powody decydują zapewne o używaniu przez nietoperzy dwóch trybów echolokacji.
Czy nietoperz sam się nie zagłusza?
Głośność emitowanego okrzyku jest w okolicach głowy nietoperza znacznie większa niż głośność dźwięku ugiętego na owadzie i powracającego do uszu nietoperza. Tak więc w trakcie nasłuchiwania nietoperz nie może nadawać i musi odpowiednio korelować te dwie czynności. Nietoperz realizuje to na bieżąco, regulując odstępy pomiędzy okrzykami lub ich seriami. Korelacja ta musi uwzględniać zmiany odległości - nietoperz i owad na ogół przemieszczają się względem siebie, na ogół ruchem niejednostajnym i nieprostoliniowym. Ilustrację tego problemu, który w ten czy inny sposób występuje w każdym przypadku echolokacji, możesz obejrzeć w animacji A5. Zauważysz, że nadanie jednego z okrzyków nastąpiło zbyt wcześnie. W rezultacie okrzyk poprzedni raczej nie został zarejestrowany i zinterpretowany.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R191fvaNTZdSm
Słowniczek
(ang.: refraction, od łacińskiego refringere – przełamać) - zjawisko polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się fali wskutek zmiany prędkości jej propagacji. Zmiany te mogą wynikać ze zmian właściwości ośrodka lub z przejścia fali do innego ośrodka. W tym ostatnim przypadku promień fali gwałtownie zmienia swój kierunek w punkcie przejścia do nowego ośrodka i odnosimy wrażenie, że fala rozchodzi się po linii łamanej.
(ang.: wave interference, od łacińskiego interfere (interferire) – wzajemnie działać (na siebie), wzajemnie się uderzać) – zjawisko polegające na nałożeniu się dwóch fal, rozchodzących się w tym samym ośrodku i wywołujących w nim odkształcenia tej samej natury.
(ang.: wavefront) Zbiór punktów ośrodka, przez który przechodzi fala, znajdujących się w danej chwili w jednakowej fazie drgań; nazywana także powierzchnią stałej fazy, czołem fali, frontem falowym.
(ang.: sonar) – urządzenie używające fal dźwiękowych do m. in. wykrywania i określania pozycji przedmiotów.
(ang.: radar) – urządzenie używające fal elektromagnetycznych do m. in. wykrywania i określania pozycji przedmiotów.