Fale
Mówiąc najprościej, fala jest czymś, co drga w czasie i przestrzeni. Fale rozciągają się od miejsca do miejsca. Ich drgania mogą mięć określona częstotliwość (jak dźwięk struny skrzypiec) lub są aperiodyczne (na przykład dźwięk wybuchu). Wszystkie fale maja następujące charakterystyki:
- natężenie drgań określa amplituda
- jak często występują drgania to częstotliwość
- odległość, jaka przebywa fala miedzy dwoma maksimami to długość fali
- ponieważ dana fala rozchodzi się w materiale z ustalona prędkością, jeśli zwiększymy jej częstotliwość, odległość miedzy grzbietami spada (skraca się długość fali). Matematycznie, prędkość fali = częstotliwość
x długość fali, zatem dla stałej prędkości fali, częstotliwość i długość fali są odwrotnie proporcjonalne
- jedna z najciekawszych własności fal jest to, ze gdy dwie fale się przenikają, efekty się dodają; nazywamy to interferencją fal
Fale dźwiękowe
Fale dźwiękowe są podłużnymi falami mechanicznymi. Mogą one rozchodzić się w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zakres częstotliwości jakie mogą mieć podłużne fale mechaniczne, jest bardzo szeroki, przy czym falami dźwiękowymi nazywamy te fale o takich częstotliwościach, które w działaniu na ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia. Zakres tych częstotliwości rozciągający się od około 20Hz do około 20 000Hz, jest nazywany zakresem słyszalnym. Podłużne fale mechaniczne o częstotliwościach mniejszych od częstotliwości słyszalnych są nazywane infradźwiękami, a fale o częstotliwościach większych niż słyszalne - falami ultradźwiękowymi. W powietrzu atmosferycznym fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością około 330 m/s. Ucho ludzkie rejestruje więc fale o długości od około 1,65 cm aż do 16,5 m. Na podstawie subiektywnych wrażeń słuchowych przypisujemy dźwiękom trzy cechy: głośność, wysokość, barwę. Każde z tych pojęć wiąże się z określoną cechą fizyczną fali dźwiękowej.
Głośność dźwięku jest związana z natężeniem fali dźwiękowej. Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością fali. Im większa jest częstotliwość fali, tym wyższy jest dźwięk. Barwa dźwięku zależy natomiast od widma fali. Dźwięki wysyłane np. przez strunę instrumentu muzycznego są wynikiem nałożenia się fal o pewnej najniższej częstotliwości i o częstotliwościach, które są jej wielokrotnościami, zwanymi harmonicznymi. One decydują o barwie. Bardzo niewiele dźwięków jest prostymi falami harmonicznymi. Dźwięki tego rodzaju nazywamy tonami. Tonem jest np. dźwięk wydawany przez kamerton.
Zaburzenie dźwiękowe rozchodzi się w powietrzu z określoną, stałą prędkością. Najłatwiej zaobserwować to dla impulsów falowych. Bezpośrednie wyznaczenie prędkości dźwięku polega na przykład na porównaniu czasu t, w którym do obserwatora dotarł błysk i huk wystrzału oddalonego obiektu o l.
Prędkość dźwięku można obliczyć ze wzoru:
v = l : t
Fale elektromagnetyczne
Fale elektromagnetyczne - zaburzenia pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c m/s. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równań Maxwella. Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych, jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się fale elektromagnetyczne rozchodzą. W realnych ośrodkach występuje dyspersja fal elektromagnetycznych, tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstości fali. Charakterystyczne dla fal elektromagnetycznych są zjawiska interferencji, dyfrakcji, załamania, oraz całkowitego wewnętrznego odbicia. Charakterystyka przestrzenno-czasowa fal elektromagnetycznych jest określana zarówno przez własności ośrodka, w którym się one rozchodzą, jak przez własności źródła promieniowania. Najprostszy przypadek wzbudzenia oraz rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych stanowi wzbudzenie w jednorodnym ośrodku izotropowym za pomocą drgającego dipola Hertza. Stanowi go odcinek przewodu o długości l ( - długość wytwarzanej fali elektromagnetycznej), elektrycznie obojętny jako całość, opisany przez elektryczny moment dipolowy. W odległości od dipola dużo większej od tworzy się strefa falowa, gdzie rozchodzą się fale elektromagnetyczne poprzeczne, spolaryzowane liniowo. Ze względu na różne sposoby wytwarzania, odbioru i detekcji fal elektromagnetycznych, jak również ze względu na różny charakter ich oddziaływania z materią rozróżnia się:
Fale elektromagnetyczne
- niskiej częstości ( =10 - 10 m)
fale radiowe ( =10 )-fale elektromagnetyczne wytwarzane, gdy swobodne elektrony zaczynają drgać (a więc są przyspieszane) pod wpływem pola elektrycznego. Ponieważ częstość zależy od przyłożonego pola, fale powstają raczej jak regularny strumień, a nie losowo; stosowane
w komunikowaniu się na odległość.
- fale świetlne ( =10 )- dzielą się na promieniowanie podczerwone, światło widzialne i promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie podczerwone są to fale elektromagnetyczne wytwarzane przez gorące ciała. Powodują największy przyrost temperatury spośród wszystkich fal elektromagnetycznych, ponieważ są najłatwiej pochłaniane. Światło widzialne, to fale elektromagnetyczne, które może wykrywać oko. Wytwarzane przez lampy wyładowcze i każdą rozżarzoną substancję. Powoduje zmiany chemiczne, np. na błonie fotograficznej, a różne długości fal w paśmie są widziane jako różne barwy. Promieniowanie ultrafioletowe są to fale elektromagnetyczne wytwarzane np. przy przepływie prądu elektrycznego przez zjonizowany gaz pomiędzy dwoma elektrodami. Są także emitowane przez słońce, lecz tylko niewielka część osiąga powierzchnię ziemi (większość traci energię na jonizację atomów w atmosferze). Te małe ilości są istotne dla życia, lecz większe dawki są niebezpieczne. Ultrafiolet wywołuje fluorescencję, np. w świetlówkach,
a także szereg reakcji chemicznych, np. ciemnienie skóry.
- promieniowanie rentgenowskie ( =10 ) -fale elektromagnetyczne jonizujące gazy, wywołujące fosforescencję i zmiany chemiczne w materiałach fotograficznych . Wytwarzane w lampach rentgenowskich, mają liczne zastosowania.
- promieniowanie gamma ( <10 ) - fale elektromagnetyczne emitowane przez substancje promieniotwórcze. Są w tym samym paśmie,
co promieniowanie rentgenowskie, lecz powstają inaczej i zajmują górny kraniec pasma ze względu na energię.
Najbardziej krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne obserwuje się w promieniowaniu kosmicznym. Trzeba tu zaznaczyć, że podział taki ma charakter umowny, ponadto w przypadku promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma odpowiadające im długości fal nie są powszechnie jednoznacznie przyjęte. Największe różnice we własnościach fal elektromagnetycznych z różnych zakresów objawiają się przy ich oddziaływaniu z materią. Przy długościach mniejszych od podczerwieni dominują procesy
o charakterze wybitnie kwantowym. Obecny stan techniki budowy urządzeń radiowych bardzo wysokich częstości pozwala zarówno rejestrować fale elektromagnetyczne wysyłane przez atomy i cząsteczki, jak wytwarzać fale elektromagnetyczne mogące być w sposób selektywny pochłaniane przez atomy i cząsteczki, co pozwala na badanie wielu interesujących zjawisk kwantowych w zakresie fal radiowych (radiospektroskopia).
Fale radiowe
Fale radiowe, fale elektromagnetyczne o częstotliwości mniejszej od 3 1012 Hz (długości większej od 0,1 mm). Ze względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy, zalecany przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego). Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp.
Drogi rozchodzenia się fal radiowych
1 - fala krótka przyziemna, 2 - fala długa przyziemna, 3 - fala długa odbita, 4 - fala krótka odbita od warstwy E jonosfery, 5 - fala krótka odbita jednokrotnie od warstwy F jonosfery, 6 - fala ultrakrótka.
Fale grawitacyjne
Fale grawitacyjne, zaburzenia pola grawitacyjnego (inaczej: zakrzywienia przestrzeni, metryki) o charakterze fali przewidywane przez ogólną teorię względności. Źródłem fal grawitacyjnych mogą być np. ciasne układy podwójne, pulsary, supernowe itd. Pomimo poszukiwań od 1957 roku (m.in. tzw. anteny Webera) nie stwierdzono dotychczas doświadczalnie w sposób niepodważalny istnienia fal grawitacyjnych. Najsilniejszą przesłanką przemawiającą za istnieniem fal grawitacyjnych są obserwowane zmiany okresu orbity pulsara PSR 1913+16 (H. Taylor). Nowe wyniki w detekcji fal grawitacyjnych spodziewane są z końcem lat dziewięćdziesiątych,
po uruchomieniu programu LIGO (Laser Interferometr Gravitational-Wave Observatory).
Fale akustyczne
Fale akustyczne, fale sprężyste, zaburzenia mechaniczne (fala) ośrodka sprężystego, nie powodujące przesunięcia średnich położeń atomów ośrodka.
W cieczach i gazach fala akustyczna jest falą podłużną, w ciałach stałych może być zarówno falą podłużną, jak i poprzeczną. W ujęciu bardziej tradycyjnym fale akustyczne to fale głosowe, czyli falowe podłużne zgęszczenia i rozrzedzenia powietrza odczuwane przez ucho ludzkie (dźwięk).
Fale akustyczne w płynie (ciecz, gaz) rozchodzą się z prędkością:
gdzie: Q - moduł ściśliwości ośrodka, ρ - gęstość, κ - Cp/Cv (adiabata), p - ciśnienie.
Fale akustyczne podlegają prawu odbicia (echosonda), załamania (refrakcji) oraz dyfrakcji i interferencji itd.
Warto wiedzieć, że o falach akustycznych mówi się często także „fale sprężyste” a to dlatego, że obok niektórych innych rodzajów fal rozchodzą się one wyłącznie w ośrodkach sprężystych (np. powietrze lub woda). Polega to na tym, że dochodzi do drgań cząsteczek, które tworzą dany ośrodek i te drgania rozchodzą się. Wynika z tego, że gdybyśmy przebywali w próżni (oczywiście to czysta teoria) nie moglibyśmy do siebie mówić, a właściwie nie słyszelibyśmy się wzajemnie, bo głos, czyli fale dźwiękowe nie mogłyby się tam rozchodzić.
W ten sposób dochodzimy do sedna sprawy, czyli chyba najważniejszej roli, jaką spełniają w przyrodzie fale akustyczne. Dzięki nim większość ludzi może się ze sobą porozumiewać. Słyszymy głos innych ludzi, ale także głosy zwierząt, różne sygnały generowane przez rozmaite urządzenia. Takie sygnały mogą być dla nas informacją bądź ostrzeżeniem i mogą mieć duże znaczenie dla ludzi i ich środowiska.
Nie zastanawiamy się nigdy, jak to się dzieje, że słyszymy różne odgłosy natury i potrafimy odpowiednio i z korzyścią dla siebie na nie reagować.
A sprawa jest dosyć prosta. Każdy ruch w przyrodzie, nawet zwykłe uderzenia kropli deszczu w powierzchnię liści na drzewach powoduje, że w powietrzu zaczynają rozchodzić się fale dźwiękowe. Pamiętamy, że innymi słowami możemy te fale nazwać ruchem cząsteczek powietrza – rozchodząc się, prędzej czy później (trzeba przy tej okazji zaznaczyć, że raczej zdecydowanie bardzo prędko) fale te trafią do naszego ucha, a ono jest organem doskonale przystosowanym do odbioru takich fal.
Warto w tym miejscu dodać informację dotyczącą właśnie prędkości, z jaką rozchodzą się fale dźwiękowe. Otóż dla powietrza w normalnych warunkach prędkość ta wynosi 331,8 m/s, a na przykład w wodzie te same fale mkną z prędkością 1497 m/s. Z jak wielkimi szybkościami mamy do czynienia możemy sobie wyobrazić, kiedy zastanowimy się przez moment nad ciekawym zjawiskiem zwanym uderzeniem akustycznym lub dźwiękowym. Polega ono na tym, że w danym ośrodku, zaburzenia tego ośrodka (fale) rozchodzą się
z prędkością większą od prędkości dźwięku. Wewnątrz takiego ośrodka wzrasta wtedy także ciśnienie. Właśnie tu trafiamy na ciekawostkę. Otóż wystarczy aby ciśnienie wzrosło o 0,1 promila, a już powstający przy tym dźwięk człowiek odbiera jako przykry dla ucha hałas. Przy wzroście ciśnienia atmosferycznego w ośrodku o 1 promil uderzenie dźwiękowe powoduje już, że pękają szyby, a nawet ściany budynków. Ale to jedynie ciekawostka.
Wracając do roli, jaką fale akustyczne odgrywają w przyrodzie warto wspomnieć, że mają one bardzo duże znaczenie nie tylko dla życia ludzi, ale i zwierząt.
Przyjmuje się, że człowiek słyszy dźwięki o częstościach od 16 Hz do 20 kHz.
Przypomnę, że 1 Hz oznacza jedno drganie w ciągu sekundy.
Drgania dźwiękowe o częstotliwości większej jak 20 kHz nazywamy ultradźwiękami.
Nieco podobne do bodźców wzrokowych jest wykorzystywanie przez nietoperze i walenie ultradźwięków, które rozprzestrzeniają się prostoliniowo i prawie nie uginają się za przeszkodami. Głosy w szczególny sposób służą porozumiewaniu się, ponieważ szybko zanikające sygnały mogą prędko następować po sobie; nad wzrokiem i słyszeniem ultradźwięków słuch ma tę przewagę, że dźwięki mogą, dzięki uginaniu się fal głosowych, omijać nawet duże przeszkody, co pozwala na nadawanie ich we wszystkich kierunkach, a odbieranie kierunkowe, zaś z natężenia dźwięku można ocenić odległość nadawcy. Te cechy odnoszą się też do ludzkiej mowy.