Fale wokół nas

Wielkości charakterystyczne fal to: długość fali, szybkość fali, amplituda, częstotliwość, okres.
Długość fali jest to odległość pomiędzy powtarzającymi się fragmentami fali. Oznacza się ją grecką literą (λ) (lambda).
Szybkością fali nazywamy jej prędkość.
Amplituda to największe wychylenie ciała z położenia równowagi, natężenie drgań.
Częstotliwość określa, jak często występują drgania.
Natomiast okres oznacza odcinek czasu pomiędzy kolejnymi szczytami lub dolinami, czyli czas w jakim fala przebędzie w ośrodku drogę równą swej długości.

Fale można podzielić na różne sposoby. Jeden z nich to podział ze względu na kierunek drgań cząsteczek:
- fale podłużne - cząsteczki drgają wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali, np. fale dźwiękowe,
- fale poprzeczne - mają prostopadły kierunek drgań do kierunku rozchodzenia się fali, np. fale morskie, fale elektromagnetyczne.

Inny podział następuje ze względu na rodzaj zaburzenia ośrodka, są między innymi:
- fale harmoniczne - inaczej sinusoidalne, powstają one w wyniku drgań harmonicznych źródła i rozchodzą się w ośrodku jednowymiarowym np. lince,
- impulsy falowe - źródłem tej fali jest jednorazowe zaburzenie w ośrodku materialnym.

Istnieje też podział, który zależy od liczby wymiarów niezbędnych do opisu kierunku rozchodzenia się energii:
- jednowymiarowe - inaczej liniowe, rozchodzące się w jednym kierunku
- dwuwymiarowe - fala kolista, które rozchodzą się we wszystkich kierunkach,
- fale trójwymiarowe - fala kulista, to fala, której czoło ma kształt kuli.

Mamy również fale mechaniczne. Są one zaburzeniem rozchodzącym się w ośrodkach sprężystych. Przykładami fal mechanicznych są fale morskie, fale dźwiękowe, fale ciśnienia. Istnieje też fala elektromagnetyczna, rozchodzi się ona w przestrzeni zaburzenia pola elektromagnetycznego. Nie powoduje ona przesuwania punktu ośrodka, gdyż elementem przemieszczenia w fali nie jest materia, ale energia.

Prawa rządzące rozchodzeniem się fal to:
- odbicie - to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub może być rozmyte. Zachowuje wtedy tylko właściwości fali, a nie dokładny obraz jej źródła.
- załamanie - zmiana kierunku rozchodzenia się fali z odmiennymi prędkościami podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego.
- dyfrakcja - to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.
- interferencja - nakładanie się fal pochodzących z różnych źródeł, co prowadzi do ich wzmacniania lub wygaszenia.

Szczególnym przypadkiem interferencji fal jest fala stojąca. Powstaje w wyniku nałożenia się na siebie fali biegnącej z falą odbitą.
Zjawisko Dopplera zachodzi między źródłem fali (np. dźwiękowej, świetlnej), a jej odbiornikiem. Polega ono na tym, że wzajemna zmiana położenia źródła fali i jej odbiornika powoduje zmianę częstotliwości fali, a dokładniej, gdy odległość miedzy źródłem, a odbiornikiem fali rośnie, to częstotliwość fali maleje i odwrotnie.
Przykłady tego zjawiska:
- Dźwięk jadącej sąsiednią ulicą miasta (nie wprost na obserwatora) karetki najpierw jest wysoki, kiedy ta jest daleko, obniża się stopniowo w miarę jazdy karetki.
- Światło gwiazdy charakteryzują linie widmowe zależne od znajdujących się w nich atomów. Jeżeli gwiazda oddala się (ucieka) od obserwatora, to linie widmowe będą przesunięte w kierunku czerwieni (większych długości).

Hiperdźwięki to dźwięki o częstotliwościach ponad 100MHz.

Dla fal dźwiękowych o tak dużej częstotliwości długość fali jest porównywalna z długością fal świetlnych, co sprawia, że światło ulega rozproszeniu na niejednorodnościach ośrodka wywołanych rozchodzeniem się fali sprężystej

Ultradźwięki to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek. Za granicę uważa się 20 kHz, choć dla większości ludzi granica ta jest znacznie niższa. Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, szczur, delfin, wieloryb, chomik czy nietoperz.

Ultradźwięki dzięki małej długości fali pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Urządzenie, które umożliwia obserwację głębin morskich to sonar. Jego zastosowanie to lokalizacja wszystkich obiektów zanurzonych w wodzie. Sonary wykorzystywano w okrętach podwodnych. Ultradźwięki znajdują także zastosowanie w medycynie. Za pomocą urządzenia generującego i rejestrującego fale ultradźwiękowe - ultrasonografu można uzyskać obraz narządów wewnętrznych. Ultradźwięki były też stosowane w pamięciach rtęciowych we wczesnych komputerach w latach pięćdziesiątych XX w. Kolejnym przykładem mogą być nietoperze, które w czasie lotu wydają średnio 20 - 30 ultradźwięków na sekundę, natomiast gdy zbliżają się do przeszkody ok. 200/sekundę. Potrafią bezbłędnie odróżnić echo własnych dźwięków od innych, nawet o tej samej częstotliwości. Odbioru własnych sygnałów nie zakłócają nawet hałasy otoczenia.

Infradźwięki to fale dźwiękowe niesłyszalne dla człowieka, ponieważ ich częstotliwość jest za niska (mniejsza od 20Hz), aby odebrało je ucho. Mimo, że są one niesłyszalne przez ludzi, to przy odpowiednim poziomie ciśnienia akustycznego mogą oddziaływać, powodując nudności, zaniepokojenie, uczucie ucisku w uszach, dyskomfortu, senności i podobne objawy. W naturze towarzyszą eksplozjom, trzęsieniom ziemi, wyładowaniom atmosferycznym itp. Infradźwięki są słabo tłumione w skorupie ziemskiej i w wodzie. Mogą się rozchodzić na znaczne odległości. Infradźwięki można zarejestrować podczas wybuchów wulkanów, grzmotów, silnych wiatrów, trzęsień ziemi, czy w pobliżu dużych wodospadów. Wyżej wymienione zjawiska można nazwać naturalnymi źródłami infradźwięków. Sztucznymi natomiast są: pojazdy samochodowe (głównie ciężkie), samoloty, helikoptery, przemysł - sprężarki tłokowe, pompy próżniowe i gazowe, wieże wiertnicze, turbodmuchawy, różne eksplozje, drgania mostów, urządzenia chłodzące i ogrzewające powietrze, wieże chłodnicze, rurociągi i głośniki.

Defektoskopia ultradźwiękowa to rodzaj nieniszczącej metody wykrywania wad urządzeń technicznych i produktów przemysłowych.
W defektoskopii ultradźwiękowej bada się rozchodzenie się fali akustycznej wysokiej częstości w danym przedmiocie. Stosuje się tu metody: echa, cienia, rezonansu, impedancji oraz drgań własnych.