Fala mechaniczna

Fala mechaniczna jest to rozchodzące się ze stałą prędkością w ośrodku jednorodnym zaburzenie. Zaburzenie to jest przenoszone dzięki drganiom (ruchowi harmonicznemu) cząstek ośrodka materialnego. To tak zwany ruch falowy.

Cechy charakterystyczne zjawiska fali:

fal mechaniczna rozchodzi się w ośrodku materialnym;
prędkość rozchodzenia się fali jest stała, charakterystyczna dla tego ośrodka, zależna od własności sprężystych ośrodka oraz od jego gęstości;
podczas gdy fala przemieszcza się w ośrodku materialnym, cząsteczki pozostają na swoich miejscach (poza wykonywaniem drgań);
Fala przenosi energię, nie przenosi materii.

Budowa fali

Poniższa ilustracja przedstawia charakterystyczne elementy fali.

Są to:

powierzchnia falowa - geometryczne miejsce punktów fali o tej samej fazie drgań w całej przestrzeni, w której rozchodzi się zaburzenie falowe;
czoło fali - to najbardziej skrajna (odległa) powierzchnia falowa licząc od źródła fali;
amplituda fali - największe wychylenie z położenia równowagi w ruchu falowym;
grzbiet fali i dolina fali - punty o odpowiednio największej i najmniejszej amplitudzie;
długość fali - najmniejsza odległość między dwoma punktami o tej samej fazie drgań (na przykład między kolejnymi dolinami albo grzbietami fali).

Przykłady fal mechanicznych

Dla lepszego zrozumienia zjawiskaponiżej wymienione zostały przykłady fal mechanicznych:

fale na wodzie, np. morskie;
fale akustyczne, czyli dźwięk (spowodowane zmianami gęstości powietrza);
fale sejsmiczne.

Rodzaje fal

Rozróżniamy kilka rodzajów fal, w zależności od przyjętej klasyfikacji, ich charakteru, sposobu powstawania.

Fala podłużna

Fala podłużna jest to taki rodzaj fali mechanicznej, w której kierunek drgań cząsteczek ośrodka jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali.

Przykłady fal podłużnych:

fala wzbudzona w poziomo rozłożonej sprężynie, w której wzbudzono impuls zgodny z kierunkiem, w którym leży rozciągnięta jest poziomo sprężyna,
dźwięk.

Fala poprzeczna

Fala poprzeczna jest to taki rodzaj fali mechanicznej, w której kierunek drgań cząsteczek ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali.

Przykłady fal poprzecznych:

fala morska,
fale powstające na na strunie gitary podczas gry.

Inne podziały fal

Ze względu na wymiar fale możemy podzielić na:

fale liniowe (jednowymiarowe) - fale takie rozchodzą się wzdłuż prostej;
fale powierzchniowe (dwuwymiarowe) - fale takie rozchodzą się na powierzchni (np. wody);
fale przestrzenne (trójwymiarowe) - fale takie rozchodzą się w przestrzeni (np. dźwięk).

Ze względu na kształt czoła fali wyróżniamy następujące rodzaje fal:

Fala płaska jest to taka fala, która rozchodzi się w ośrodku jednorodnym, izotropowym i której czoło stanowi płaszczyzna.
Fala kulista (sferyczna) jest to taka fala, która rozchodzi się w ośrodku jednorodnym, izotropowym i której czoło stanowi sfera.
Fala kolista - jest to taka fala, która rozchodzi się w środowisku dwuwymiarowym, a powierzchnie falowe stanowią współśrodkowe okręgi.

Ponadto wyróżniamy takie pojęcia jak:

impuls falowy - fala powstała w wyniku jednorazowego zaburzenia w ośrodku materialnym (wystarczy raz wrzucić kamień do wody),
fala harmoniczna - powstaje wówczas, gdy cząstki ośrodka wykonują ruch harmoniczny.

Ciekawostki

Prędkość dźwięku w powietrzu wynosi około 340 m/s, ale już w wodzie 1500 m/s, a więc kilka razy więcej. Woda jest bardziej gęsta od powietrza, przez co zaburzenia gęstości rozchodzą się w niej dużo szybciej niż w powietrzu.

Pytania

Czy fale mogą rozchodzić się w próżni?

Fale mechaniczne nie mogą rozchodzić się w próżni, gdyż w próżni nie ma co drgać i nie czego zaburzać w sensie materialnym. Ale przecież światło, fale radiowe, UV, IR, promienie gamma i mikrofale przemierzają kosmos... Wiec jak to się dzieje? Wymienione rodzaje promieniowania to tak zwane fale elektromagnetyczne, nie będące falami mechanicznymi. Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych w próżni jest związane ze zmianami pól elektrycznego i magnetycznego, które mogą istnieć w próżni.

Dyfrakcja

Dyfrakcja jest to zjawisko ugięcia się fal podczas ich rozchodzenia się w niejednorodnym środowisku, na przykład podczas napotkania przez fale przeszkody lub otworu.

Odbicie i załamanie fali

Gdy fala mechaniczna napotka na swojej drodze inny ośrodek materialny, który ma inne właściwości sprężyste, gęstość, dochodzi wówczas do zjawiska odbicia i załamania fali (refrakcji) na granicy tych ośrodków.

Równanie fali

Równanie fali harmonicznej i funkcja falowa.

Prędkość fali

Prędkość rozchodzenia się fali mechanicznej zależy od rodzaju ośrodka, w jakim fala się rozchodzi, ale także od samego rodzaju fali.