Warto przeczytać

Rozpraszanie fal to zjawisko powstawania w ośrodku, w którym się rozchodzi fala pierwotna, fal wtórnych, rozchodzących się w różnych kierunkach. Rozpraszanie wiąże się z niejednorodnościami układu, w którym zachodzi propagacjapropagacjapropagacja fal. Mechanizm zjawiska rozpraszania fal tłumaczy zasada Huygensa.

Najczęściej w życiu codziennym mamy do czynienia z rozpraszaniem światła i fal dźwiękowych.

Rozpraszanie fal zachodzi na obiektach o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Światło rozpraszają obiekty o rozmiarach ułamków milimetra, a fale dźwiękowe rozpraszane są przez przedmioty centymetrowe i metrowe.

Rozpraszanie światła

Światło jest falą elektromagnetyczną. PropagacjapropagacjaPropagacja fali elektromagnetycznej polega na rozchodzeniu się w przestrzeni drgań wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Światło, oddziałując z materią, powoduje drgania ładunków w niej zawartych i wypromieniowanie wtórnych fal elektromagnetycznych. Te wtórne fale to właśnie promieniowanie rozproszone.

Rozpraszanie światła może zachodzić na mikroskopijnych kropelkach wody tworzących mgłę lub chmury. Choć woda jest przezroczysta, chmury w słoneczny dzień mają barwę białą. Spowodowane jest to tym, że światło słoneczne odbija się w różnych kierunkach od kropelek wody o rozmiarach 10‑20 mikrometrów, przy czym światło o każdej barwie rozpraszane jest jednakowo. Gdy niebo jest pokryte grubą warstwą chmur, do powierzchni ziemi dociera światło o mniejszym natężeniu, które zostało rozproszone w atmosferze. Chmury oświetlone od spodu znacznie słabszym światłem mają kolor szary.

Najłatwiej przekonać się o różnych skutkach wizualnych rozpraszania światła na kropelkach wody zawartych w chmurach podczas lotu samolotem. Nawet w najbardziej pochmurny dzień, gdy chmury wiszące nad ziemią mają ołowianą barwę, od góry wyglądają one jak biała, bita śmietana (Rys. 1.).

RaHNsifeWCaBN

Rys. 1. Zdjęcie wykonane z lecącego samolotu ukazuje fragment skrzydła samolotu, a pod nim kłębiące się białe chmury przypominające bitą śmietanę.

Gdy samolot zniża się, podchodząc do lądowania i wchodzi w warstwę chmur, otacza nas mgła. Nic dziwnego, bo mgła i chmura z punktu widzenia fizyki to jedno i to samo. We mgle z powodu rozpraszania światła na kropelkach wody, mamy ograniczoną widoczność, ponieważ światło biegnące do nas od odległego przedmiotu, wielokrotnie zmienia swój kierunek ruchu i nie dociera do naszych oczu (Rys. 2.). Gdy w końcu samolot lądując, znajdzie się pod chmurami, przybiorą one dobrze nam znaną szarą barwę.

R1UOxMewzLtKi

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia gęsty las mieszany. Wyraźnie widoczne są drzewa na pierwszym planie. Drzewa na dalszym planie spowite są we mgle i coraz mniej wyraźnie widoczne.

Rozpraszanie światła zachodzi także na cząstkach tworzących zawiesinę w gazie lub cieczy. Dym unoszący się nad ziemią rozprasza światło podobnie jak mgła. Znane są przypadki wypadków na drogach, spowodowane pożarem przydrożnych łąk, którego dym znacznie ograniczył widoczność na drodze. Możemy rozpraszanie światła na cząstkach zawieszonych w powietrzu zauważyć w mniej dramatycznych okolicznościach, gdy podczas sprzątania w słoneczny dzień widzimy drobinki kurzu wirujące w powietrzu. Właśnie dlatego je widzimy, że światło słoneczne rozproszyło się na nich i dotarło do naszych oczu.

Mleko w ponad 80% składa się z wody, która jest przezroczysta dla światła. Ale jak dobrze wiemy, że mleko nie jest przezroczyste – ma białą barwę. Spowodowane jest to obecnością w mleku drobniutkich kuleczek tłuszczu o średnicy 2–6 mikrometrów, na których padające światło ulega rozproszeniu.

Światło ulega też rozproszeniu, gdy odbija się od chropowatej powierzchni rozdzielającej dwa ośrodki, jeśli jej nierówności mają rozmiary rzędu długości fali padającej. Odbicie od takiej powierzchni nazywamy odbiciem dyfuzyjnym.

Rozpraszanie światła na powierzchni spowodowane jest tym, że chropowata powierzchnia składa się z losowo rozmieszczonych płaszczyzn i krzywizn, które znajdują się pod różnymi kątami w stosunku do kierunku padającego światła. Światło padające w różnych punktach na chropowatą powierzchnię natrafia na lokalne płaszczyzny i odbija się od nich zgodnie z prawem odbicia w różnych kierunkach. Rys. 3 pokazuje porównanie odbicia światła od gładkiego zwierciadła i chropowatej powierzchni. W przypadku odbicia równoległej wiązki światła od zwierciadła, wszystkie promienie odbite biegną w tym samym kierunku. Gdy te promienie dotrą do naszych oczu, nie widzimy samej powierzchni lustra, tylko przedmioty w niej odbite. Natomiast promienie odbite od chropowatej powierzchni biegną w różnych kierunkach i nie tworzą odbitego obrazu przedmiotów. Widoczna jest za to struktura powierzchni (Rys. 4).

R1eumCMqyKTHa

Rys. 3. Ilustracja składa się z dwóch części. Rysunek po lewej pokazuje odbicie wiązki światła od poziomej powierzchni zwierciadła. Dwa równoległe promienie skierowane w dół i w prawo padają na powierzchnię zwierciadła i odbijają się pod tym samym kątem. Promienie odbite biegną w górę i w prawo równolegle do siebie. Rysunek po prawej pokazuje odbicie wiązki światła od poziomej powierzchni chropowatej. Powierzchnia ta pokazana w postaci nieregularnej linii falującej, załamującej się pod różnymi, przypadkowymi kątami. Kilka równoległych promieni skierowanych w dół i w prawo pada na powierzchnię i trafia na fragmenty powierzchni skierowane w różne strony. Promienie odbijają się w różnych przypadkowych kierunkach.

RIFCnwy0ScpuM

Rys. 4. Zdjęcie przedstawia małego kotka o puszystej sierści. Podświetlone rozproszonym światłem futerko pozwala dostrzec pojedyncze włoski sierści kotka.

Rozpraszanie fal dźwiękowych

Rozchodzenie się fal dźwiękowych polega na przenoszeniu się w przestrzeni zagęszczeń i rozrzedzeń cząsteczek ośrodka. Fala dźwiękowa może wprawić w drgania niewielki obiekt lub fragment większego. Drgania błony bębenkowej w uchu są przyczyną tego, że słyszymy dźwięk. Ciała wprawione w drgania stają się źródłem wtórych fal dźwiękowych. Są to właśnie fale rozproszone. Fale akustyczne rozpraszają się na obiektach o rozmiarach rzędu długości fali padającej, czyli od milimetrów do kilkunastu metrów.

Zjawisko to ma duże znaczenie w projektowaniu sal koncertowych, konferencyjnych i innych pomieszczeń, gdzie ważny jest niezakłócony dźwięk. Dźwięk odbity od gładkiej ściany nakłada się na dźwięki muzyki lub mowy, dając nieprzyjemny efekt pogłosu. Wytłumianie dźwięków przez zastosowanie materiałów pochłaniających dźwięki nie zawsze rozwiązuje problem, bo powoduje zmniejszenie natężenia dźwięków w pomieszczeniu. Muzycy w orkiestrze muszą dobrze słyszeć innych muzyków, a słuchacze w sali koncertowej powinni jednakowo dobrze słyszeć instrumenty niezależnie od odległości od nich. Rozwiązaniem jest rozpraszanie fal dźwiękowych za pomocą specjalnie ukształtowanych powierzchni – dyfuzorów akustycznychdyfuzor akustycznydyfuzorów akustycznych (Rys. 5). Elementy powierzchni są w nich rozmieszczone nieregularnie, co pozwala osiągnąć zmniejszenie kierunkowości rozchodzenia się dźwięków oraz równomierny rozkład energii akustycznej w pomieszczeniu.

RFkQUvKjxZu0A

Rys. 5. Zdjęcie pokazuje pomieszczenie, którego ściany wyłożone są panelami rozpraszającymi dźwięk. Każdy z paneli ma nierówną powierzchnię, wypełnioną rowkami i wypukłościami o różnych kształtach.

Słowniczek