Warto przeczytać

Kiedy w ośrodku materialnym rozchodzi się fala mechaniczna, elementy ośrodka poruszają się. Zależnie od tego, jaki jest kierunek przesunięć związanych z tym ruchem w stosunku do kierunku biegu fali, możemy mówić o dwóch rodzajach fali:

1. Gdy kierunek drgań cząstek ośrodka jest równoległy do kierunku biegu fali, mówimy o fali podłużnejFala podłużnafali podłużnej. Tym przypadkiem zajmiemy się w tym e‑materiale.

2. Gdy kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do kierunku biegu fali, mówimy o fali poprzecznejFala poprzecznafali poprzecznej. Temu przypadkowi poświęcony jest na przykład e‑materiał pod tytułem „Fale poprzeczne”.

Doświadczenie: obserwacja fali podłużnej na sprężynie

Przygotuj długą sprężynę. Możesz ją zrobić samodzielnie, skręcając długi drut miedziany o średnicy około 1 mm na kiju od szczotki. Doskonale też nadaje się do tego zabawka – sprężynka slinky. Połóż sprężynę poziomo na długim stole i zamocuj na jednym końcu. Drugi koniec uchwyć ręką i sprężynę rozciągnij (Rys.1.).

1. Przesuń szybko koniec sprężyny równolegle do jej długości – w prawo na rysunku 1 – i szybko powróć do początkowego położenia. Co obserwujesz?

2. Poruszaj rytmicznie końcem sprężyny w tył i w przód. Jaka fala teraz powstaje?

RohJbse9MuqSx

Rys. 1. Rysunek przedstawia stół, na którym leży długa sprężyna zamocowana na prawym końcu. Drugi koniec trzyma człowiek, stojący przy stole.

W doświadczeniu obserwujemy specyficzny typ fali: wzdłuż sprężyny rozchodzą się zgęszczenia i rozrzedzenia. Zaburzenia sprężyny przedstawiają Rys. 2. i 3. Aby rysunki były bardziej czytelne, zwoje sprężyny zostały zastąpione pionowymi liniami. Na górze rysunków przedstawiony został układ nieodkształcony. Pod spodem układ, w którym biegnie fala. Strzałki pokazują przesunięcia wybranych elementów układu.

RejM1TMm1hTqS

Rys. 2. Na rysunku znajdują się 2 poziome prostokąty, wypełnione pionowymi odcinkami, symbolizującymi zwoje sprężyny. W górnym prostokącie odcinki są w równych odległościach od siebie. W dolnym prostokącie, w jego środkowej części, odcinki są nieco rozsunięte. W rezultacie odległości między odcinkami w tym obszarze są większe niż na górnym prostokącie. Pod tym obszarem jest napis „rozrzedzenie”. Na prawo od tego obszaru odległości między odcinkami są mniejsze niż na górnym prostokącie, a pod spodem jest napis „zgęszczenie”.

R5lv9HoMitGqx

Rys. 3. Na rysunku znajdują się 2 poziome prostokąty, wypełnione pionowymi odcinkami, symbolizującymi zwoje sprężyny. W górnym prostokącie odcinki są w równych odległościach od siebie. W dolnym prostokącie od lewej strony odcinki są w odległościach większych niż na górnym prostokącie. Dalej na prawo odcinki są w odległościach mniejszych niż na górnym prostokącie. Pod tym obszarem jest napis „zgęszczenie”. Jeszcze dalej na prawo odcinki znów są w większych odległościach. Pod tym obszarem jest napis „rozrzedzenie”. Następnie z prawej strony znów występuje obszar zgęszczenia. Pod dolnym prostokątem narysowany jest poziomy odcinek, zakończony z obu stron strzałkami, którego jeden koniec leży na środku obszaru pierwszego rozrzedzenia z lewej strony prostokąta, a drugi koniec na środku obszaru drugiego rozrzedzenia. Pod odcinkiem jest zapisana grecka litera lambda.

Zauważ: elementy długości sprężyny poruszają się równolegle do kierunku biegu fali. Taką falę nazywamy falą podłużną.

1. Rys. 2. przedstawia pojedynczy impuls falowy, złożony z jednego zgęszczenia i jednego rozrzedzenia. Odpowiada to punktowi 1 doświadczenia.

2. Rys. 3. przedstawia falę harmonicznąFala harmonicznafalę harmoniczną, złożoną z periodycznie powtarzających się zgęszczeń i rozrzedzeń. Odpowiada to punktowi 2 doświadczenia. Do opisu fal podłużnych harmonicznych wprowadzamy takie same pojęcia, jak do opisu harmonicznych fal poprzecznych: okres T, częstotliwość f, amplitudę A i długość fali λlambda. Na Rys. 3. zaznaczona została długość tej fali λlambda.

Fale podłużne w ośrodku materialnym

Wyżej omawialiśmy proste i „jednowymiarowe” modele fal podłużnychFala podłużnafal podłużnych. Naprawdę interesujące są jednak fale tego rodzaju rozchodzące się w ośrodkach „trójwymiarowych”. Przykładem są fale sejsmiczne powstające w skorupie ziemskiej przy wybuchach wulkanów (tak zwane fale P). Nie wiem, czy będziesz kiedyś miał z tym zjawiskiem osobiście do czynienia. Za to z falami akustycznymi, rozchodzącymi się w powietrzu i w wodzie (czyli w gazie i cieczy) spotykasz się ciągle. Dzięki nim działa zmysł słuchu człowieka i zwierząt, dlatego poświęcimy im trochę więcej uwagi.

Powróćmy do Rys. 2. i wyobraźmy sobie, że przedstawia on nie zwoje sprężyny, a poziomy słup powietrza, podzielony myślowo na plastry. Każdy z tych plastrów zawiera taką samą ilość gazu. Pamiętamy: ciśnienie w gazie zależy od objętości i maleje, kiedy objętość rośnie. Rozważmy teraz trzy takie plastry (Rys. 4.), traktując je dla uproszczenia jak pudełeczka, początkowo wszystkie o jednakowej objętości i jednakowym ciśnieniu. Z ciśnieniem związana jest siła, jaką gaz działa na powierzchnię plastra.

R9RPesknACkxi

Rys. 4. Na górnym rysunku znajdują się 4 pionowe odcinki rozmieszczone w równych odległościach. Prostokątne obszary między odcinkami są w jednakowym kolorze. W każdym z prostokątów zapisana jest wartość ciśnienia p. Na dolnym rysunku odcinek drugi i trzeci są w takich samych położeniach jak na rysunku górnym. Odcinek pierwszy i czwarty przesunięte są nieco w prawo. Odległość między pierwszym i drugim odcinkiem jest mniejsza niż na górnym rysunku. Ten obszar ma barwę ciemniejszą i zapisana jest tu wartość ciśnienia p z indeksem dolnym 1. Pod spodem zapisano „zgęszczenie”. Odległość między trzecim i czwartym odcinkiem jest większa niż na górnym rysunku. Ten obszar ma barwę jaśniejszą i zapisana jest tu wartość ciśnienia p z indeksem dolnym 3. Pod spodem zapisano „rozrzedzenie”.

1. Na górze przedstawiony jest stan równowagi, pod nieobecność fali. Ciśnienie w każdym z plastrów jest jednakowe. Lewy plaster działa na środkowy siłą zwróconą w prawo, wynikającą z oddziaływania gazu na powierzchnię między plastrami. Prawy plaster działa na środkowy siłą o takiej samej wartości, ale zwróconą w lewo. Wypadkowa tych sił jest równa zeru.

2. Dolna część rysunku przedstawia przykładowe zaburzenie wywołane przez falę. Lewy plaster zwęził się i ciśnienie w nim wzrosło. Z większą siłą działa na plaster środkowy. Prawy plaster poszerzył się i ciśnienie w nim zmalało. Z mniejszą siłą działa na plaster środkowy. Wypadkowa tych sił przestała być równa zeru i zwrócona jest w prawo.

Widać, że przemieszczenia w gazie wywołały powstanie niezróważonych sił. Powstałe siły odpowiedzialne zaraz będą za powstanie kolejnych przemieszczeń, które doprowadzą do rozchodzenia się fali podłużnejFala podłużnafali podłużnej.

Słowniczek