Fala poprzeczna: charakterystyka i przykłady
Fale poprzeczne to takie, w których oscylacja występuje w kierunku prostopadłym do kierunku propagacji fali. Przeciwnie, fale podłużne są falami, w których przemieszczenie przez medium zachodzi w tym samym kierunku, w którym następuje przemieszczenie fali.
Należy pamiętać, że fale propagują się przez medium dzięki wibracji, którą powodują w cząstkach wspomnianego ośrodka. Następnie kierunek propagacji fali może być równoległy lub prostopadły do kierunku, w którym cząstki drgają. Dlatego rozróżnia się fale poprzeczne i podłużne.
Najbardziej typowym przykładem fali poprzecznej są okrągłe fale, które rozchodzą się po powierzchni wody, gdy kamień jest rzucany. Fale poprzeczne to zarówno fale elektromagnetyczne, jak i światło. Jeśli chodzi o fale elektromagnetyczne, istnieje szczególny przypadek, że nie ma wibracji cząstek, jak to ma miejsce w innych falach.
Mimo to są to fale poprzeczne, ponieważ pola elektryczne i magnetyczne związane z tymi falami są prostopadłe do kierunku propagacji fali. Innymi przykładami fal poprzecznych są fale przesyłane wzdłuż ciągu i fal S lub wtórnych fal sejsmicznych.
Funkcje
Fale, zarówno poprzeczne, jak i podłużne, mają szereg cech, które je określają. Ogólnie rzecz biorąc, najważniejsze cechy fali są wyjaśnione poniżej:
Amplituda fali (A)
Definiuje się go jako odległość między punktem najdalszym od fali i jej punktem równowagi. Ponieważ jest to długość, jest mierzona w jednostkach długości (zwykle mierzona w metrach).
Długość fali (λ)
Definiuje się go jako odległość (zwykle mierzoną w metrach) przebytą przez zaburzenie w określonym przedziale czasu.
Odległość ta jest mierzona, na przykład, między dwoma kolejnymi grzbietami (grzbiety są najdalszym punktem od pozycji równowagi na szczycie fali), lub też między dwiema dolinami (punkt najdalej od pozycji równowagi na dół fali) sukcesywnie.
Można jednak mierzyć między dwoma kolejnymi punktami fali, które znajdują się w tej samej fazie.
Okres (T)
Jest on definiowany jako czas (zwykle mierzony w sekundach), który fala potrzebuje do przejścia przez pełny cykl lub oscylację. Można go również zdefiniować jako czas, jaki fala potrzebuje na pokonanie odległości równoważnej jej długości fali.
Częstotliwość (f)
Jest definiowana jako liczba oscylacji, które występują w jednostce czasu, zwykle jedna sekunda. W ten sposób, gdy czas jest mierzony w sekundach (s), częstotliwość jest mierzona w hercach (Hz). Częstotliwość jest zwykle obliczana z okresu za pomocą następującego wzoru:
f = 1 / T
Prędkość propagacji fali (v)
Jest to prędkość, z jaką fala rozchodzi się (energia fali) przez medium. Jest zwykle mierzona w metrach na sekundę (m / s). Na przykład fale elektromagnetyczne propagują się z prędkością światła.
Prędkość propagacji można obliczyć na podstawie długości fali i okresu lub częstotliwości.
V = λ / T = λ f
Lub po prostu podzielenie odległości przebytej przez falę w określonym czasie:
v = s / t
Przykłady
Fale elektromagnetyczne
Fale elektromagnetyczne są najważniejszym przypadkiem fal poprzecznych. Szczególną cechą promieniowania elektromagnetycznego jest to, że w przeciwieństwie do fal mechanicznych, które wymagają środków do rozprzestrzeniania się, nie wymagają środków do propagacji i mogą to zrobić w próżni.
Nie oznacza to, że nie ma fal elektromagnetycznych poruszających się przez mechaniczne (fizyczne) medium. Niektóre fale poprzeczne są falami mechanicznymi, ponieważ wymagają one medium fizycznego do ich propagacji. Te poprzeczne fale mechaniczne nazywane są falami T lub falami ścinania.
Ponadto, jak już wspomniano powyżej, fale elektromagnetyczne propagują się z prędkością światła, która w przypadku próżni jest rzędu 3 × 10 8 m / s.
Przykładem fali elektromagnetycznej jest światło widzialne, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali od 400 do 700 nm.
Fale poprzeczne w wodzie
Bardzo typowa i bardzo graficzna fala poprzeczna ma miejsce, gdy kamień (lub jakikolwiek inny obiekt) jest wrzucany do wody. Gdy tak się dzieje, wytwarzane są okrągłe fale, które rozprzestrzeniają się z miejsca, w którym kamień wpłynął na wodę (lub ognisko fali).
Obserwacja tych fal pozwala ocenić, w jaki sposób kierunek wibracji zachodzący w wodzie jest prostopadły do kierunku przemieszczania się fali.
Najlepiej to zaobserwować, jeśli boja znajduje się w pobliżu punktu uderzenia. Boja wznosi się i opada pionowo, gdy dochodzą fronty fal, które poruszają się poziomo.
Bardziej skomplikowany jest ruch fal w oceanie. Jego ruch obejmuje nie tylko badanie fal poprzecznych, ale także cyrkulację prądów wodnych, gdy fale mijają. Dlatego rzeczywisty ruch wody w morzach i oceanach nie może być zredukowany tylko do prostego ruchu harmonicznego.
Fala na linie
Jak już wspomniano powyżej, kolejnym powszechnym przypadkiem fali poprzecznej jest przemieszczenie wibracji przez strunę.
Dla tych fal prędkość, z jaką fala rozchodzi się po rozciągniętym sznurku, zależy od naprężenia sznurka i masy sznurka na jednostkę długości. Zatem prędkość fali jest obliczana z następującego wyrażenia:
V = (T / m / L) 1/2
W tym równaniu T oznacza napięcie struny, m jej masę i L długość struny.
