Fale mechaniczne

Fale są to rozprzestrzeniające się w ośrodku materialnym lub polu zaburzenia pewnej wielkości fizycznej charakteryzującej stan tego ośrodka lub pola.

Fale sprężyste natomiast są to mechaniczne zaburzenia (odkształcenia) rozprzestrzeniające się w ośrodku sprężystym. Ciała zewnętrzne powodujące owe zaburzenia ośrodka nazywają się źródłami fal. Rozchodzenie się fal sprężystych polega na wzbudzaniu drgań cząstek ośrodka coraz bardziej odległych od źródła fal. Najważniejszą cechą odróżniającą fale sprężyste od dowolnego innego uporządkowanego ruchu cząstek ośrodka jest to, że w przypadku małych zaburzeń (przybliżenie liniowe) rozchodzenie się fal sprężystych nie jest związane z przenoszeniem substancji. Ze względu na kierunek drgań ośrodka rozróżniamy fale podłużne i poprzeczne.

Fala podłużna jest to fala sprężysta, w której drgania cząstek ośrodka zachodzą w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fali. Fala poprzeczna jest to fala, w której cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali.

Fale poprzeczne mogą powstawać tylko w ośrodkach mających sprężystość postaci, czyli w ciała stałych. Fale podłużne związane są ze sprężystością objętościową ośrodka. Z tego powodu, mogą one występować zarówno w ciałach stałych, jak i w cieczach lub gazach.

Fala mechaniczna jest to fala, której rozchodzenie opisują prawa mechaniki klasycznej. Fala mechaniczna to zaburzenie rozchodzące się w ośrodkach sprężystych. Fale morskie to rozchodzące się po powierzchni morza zaburzenie poziomu wody oraz ciśnienia. Fale dźwiękowe to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie ciśnienia. Aby określić własności fali mechanicznej najważniejsze jest zbadanie własności sprężystych ośrodka.

W procesie rozchodzenia się fali zasadnicze znaczenie ma proces przekształcania potencjalnej energii mechanicznej (energii ciśnienia bądź naprężenia) w energię kinetyczną. Jeżeli po odkształceniu/sprężeniu ośrodek potrafi znaczną część energii potencjalnej przekształcić ponownie w energię kinetyczną, to fala mechaniczna może rozchodzić się na znaczne odległości. W przeciwnym przypadku pojawia się zjawisko tłumienia fali. Poszczególne ośrodki mogą znacząco różnić się własnościami mechanicznymi, co prowadzi to znacznych różnic w przebiegu zjawisk falowych w różnych materiałach. Dla przykładu w stali dźwięk rozchodzi się w przybliżeniu 20 razy szybciej niż w powietrzu. Co więcej różne własności dotyczące tłumienia powodują, że jego zasięg jest znacznie większy. Zjawiska sprężyste powodują, że przyłożenie naprężenia do materiału, również może zmienić jego własności jako medium przenoszącego fale. Przykładem może być tutaj struna, w której szybkość rozchodzenia się fali zmienia się zależnie od przyłożonej siły, co można wykorzystać do strojenia.Fale mechaniczne są z reguły krótsze niż fale dzwiekowe

Interferencja fal mechanicznych
Podobnie, jak w ruchach punktu materialnego materialnego ciała sztywnego, w ruchu falowym obowiązuje zasada niezależności ruchów. Jeżeli w ośrodku rozchodzi się kilka fal, wysyłanych jednocześnie przez różne źródła, to wypadkowy ruch każdej cząstki ośrodka jest złożeniem ruchów, jakie wykonywałaby ta cząstka przy rozchodzeniu się każdej fali z osobna. Zasada niezależności ruchów w zastosowaniu do ruchu falowego nosi nazwę zasady superpozycji fal. Możemy więc zapisać:

y = y1 + y2

gdzie:
y1, y2 – wychylenie wywołane przez poszczególne fale,
y – wychylenie wypadkowe.

Przykładem fal mechanicznych są np. fale dźwiękowe. Są to fale z zakresu częstotliwości 16 - 20000 Hz. Wywołują one wrażenia słuchowe.

Fale o częstościach niższych od słyszalnych nazywa się infradźwiękami , a o częstościach wyższych ultradźwiękami.

Falę biegnącą można opisać równaniem:
x=Asin(kx-amplituda*t) -- dla fali biegnącej w prawo
x=Asin(kx+amplituda*t) --- dla fali biegnącej w lewo

Wielkość amplituda definiuje się jako częstość kołową,
Natomiast k - liczba falowa

Wielkość lambda nosi nazwę długości fali i jest to odległość między dwoma punktami, w których fala ma taka samą fazę.
Natomiast czas, w którym fala pokonuje odległość równą długości fali nazywa się okresem fali T.

lambda=v*T
gdzie v to prędkość fazowa fali.

Powierzchnie, których wszystkie elementy drgają z taką sama fazą nazywa się czołami fali. Mogą one przybierać różne kształty. I tak dla fali rozchodzącej się tylko w jednym kierunku, czyli fali płaskiej czoło fali jest płaszczyzną. Natomiast dla fal rozchodzących się we wszystkich kierunkach od źródła czoła fali mają kształt kuli. Są to tzw. fale kuliste.

Zgodnie z zasadą superpozycji przemieszczenie dowolnej cząstki ośrodka w danej chwili jest równe sumie przemieszczeń, jakie byłyby wywołane przez poszczególne fale.

Zasada ta pozwala m.in. wyznaczyć równanie fali stojącej . Fala taka powstaje przez nałożenie się fali odbitej i fali padającej. Jej charakterystyczną cechą jest to, że amplituda drgań różnych cząstek nie jest identyczna. Ulega ona zmianie wraz z położeniem cząstki.

Natomiast samo zjawisko nakładania się fal nazywa się interferencją.

Gdy obiekt zostanie pobudzone do drgań impulsami o częstości równej częstości własnej tego obiektu to jest wprawiany w drgania o dużej amplitudzie. Zjawisko to nazywa się rezonansem.

Ciekawe zjawisko dotyczące fal odkrył Doppler. Najlepiej jest ono widoczne na przykładzie fal dźwiękowych. Każdy na pewno doświadczył tego, że zbliżając się do spoczywającego źródła dźwięku słyszy dźwięk o wyższej częstości niż wtedy gdy stoi w miejscu. Podobnie jest gdy źródło dźwięku zbliża się do nieruchomego obserwatora.

Natomiast w przypadku oddalania się obserwatora od źródła słyszany dźwięk będzie miał częstość niższą. Podobna sytuacja będzie miała miejsce, gdy źródło dźwięku będzie się oddalało od obserwatora pozostającego w spoczynku.

Zjawisko to zostało nazwane zjawiskiem Dopplera i dotyczy wszystkich fal. Sam Doppler obserwował ten efekt na falach elektromagnetycznych - zmiana barwy świecącego ciała była rezultatem względnego ruchu ciała i obserwatora.