Fale mechaniczne

Falą nazywany zaburzenie rozchodzące się w danym ośrodku. Źródłem każdej fali jest drganie.

Fale dzielimy ze względu na:
- Rodzaj drgań
- Mechaniczne
- Elektromagnetyczne
- Amplitudę
- Poprzeczne
- Podłużne
- Sposób zaburzenia ośrodka
- Koliste
- Kuliste
- Liniowe

Wielkości charakteryzujące fale:
- Amplituda – największe wychylenie z położenia równowagi
- Okres – jest to czas w którym punkt ośrodka wykonuje jedno pełne drganie
- Częstotliwość – równa jest ilości drgań jakie wykonują punkty ośrodka w ciągu jednostki czasu
- Długość – odległość pomiędzy najdalszymi punktami ośrodka będącymi w tej samej fazie drgań. Długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości drgań źródła.

Prędkość fali zależy od rodzaju fali oraz od ośrodka, z którego się rozchodzi.

Fala mechaniczna to przemieszczające się odkształcenie.

Fala mechaniczna nie powoduje przesuwania punktu ośrodka, gdyż elementem przemieszczenia w fali nie jest materia, ale energia. Wynikiem tego jest zmieniające się zaburzenie lub wychylenie w sposób cykliczny różnych obszarów tego ośrodka. Fala może również występować jako zaburzenie w przestrzeni.

Przykłady fal mechanicznych:
- Fale wytworzone na gumowym wężu
- Fale wytworzone na powierzchni wody
- Fale dźwiękowe

Rozchodzenie się fali jest związane z wieloma ciekawymi zjawiskami jak:
- Odbicie – zmiana kierunku rozchodzenia się fali podczas zetknięcia z przeszkodą.
- Załamanie – zmiana kierunku rozchodzenia się fali podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego.
- Dyfrakcja – (ugięcie) zmiana kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu.
- 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.

Zasada Huygensa tłumaczy zjawiska odbicia, załamania i ugięcia fali. Mówi ona, że każdy punkt ośrodka do którego dotrze fala, staje się źródłem nowej fali kulistej.

Ze względu na kierunek drgań fale dzielimy na:
- Podłużne – gdy drgania odbijają się równolegle do kierunku rozchodzenia się fali. Przykładem fal podłużnych są fale dźwiękowe rozchodzące się w powietrzu lub wodzie.
- Poprzeczne – gdy drgania odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Przykładem fal poprzecznych jest dowolna fala elektromagnetyczna np. fale świetlne, fale radiowe.

Źródłem dźwięku jest ciało drgające. Fala dźwiękowa czyli akustyczna rozprzestrzenia się w różnych ośrodkach np. w powietrzu, wodzie lub szkle. Drgania są przenoszone przez cząsteczki tych ośrodków. Fala akustyczna jest falą podłużną. Dźwięki słyszane przez ucho ludzkie mieszczą się w granicach częstotliwości od 16 – 20000 Hz. Odbierany przez nas dźwięk jest formą energii o niewielkich wartościach. Fala dźwiękowa nie przemieszcza się w próżni. Fale dźwiękowe mogą rozchodzić się zarówno w ciałach stałych, cieczach, jak i gazach, dlatego ściany budynków czy warstwa wody jedynie trochę tłumią dźwięki. Fale dźwiękowe rozchodzą się w powietrzu we wszystkich kierunkach tak jak fale na wodzie. Sposób w jaki dźwięk rozprzestrzenia się w pomieszczeniu zależy od kształtu architektonicznego tego pomieszczenia i od wyposażenia jego wnętrzna. Powierzchnie twarde i płaskie dobrze odbijają dźwięk, a powierzchnie nierówne i miękkie w dużym stopniu go pochłaniają.

Zjawisko Dopplera – zachodzi wówczas, gdy źródło dźwięku i odbiornik poruszają się względem siebie.

Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości drgań (im większa częstotliwość sygnału tym wyższy dźwięk).
Głośność dźwięku zależy od natężenia (jeśli sygnał ma odpowiednio duże natężenie wydaje się głośniejszy).
Barwa odróżnia dźwięki w zależności od pochodzenia.

Dźwięki ze względu na częstotliwość dzielimy na:
- Infradźwięki (nie odbieramy)
- Dźwięki (odbieramy)
- Ultradźwięki (odbieramy jako ból)

Podział ze względu na widmo:
- Dźwięki które możemy odróżnić (mowa, śpiew)
- Szumy (hałas, młot pneumatyczny)

W fizyce występuje bardzo wiele rodzajów fal

Echo jest falą dźwiękową która powraca do nas po odbiciu się od jakiejś dalekiej przeszkody.

Fale sejsmiczne wywołane przez trzęsienie ziemi i podziemne wybuchy przemieszczają się przez skały i ciecze, jest to też rodzaj fali dźwiękowej.

Echosonda wytwarza podłużne fale ciśnienia przez wprowadzenie cząsteczek wody w ruch do przodu i do tył. W ten sposób powstają obszary o podwyższonym i obniżonym ciśnieniu. Pomiar czasu potrzebnego na to, aby fala odbiła się od dna morza i wróciła, pozwala na określenie głębokości. Echosonda wykorzystywana jest do poszukiwania ławic ryb czy badania dna morskiego.

W ultrasonografach wykorzystywanych w medycynie fale odbite przekształcane są przez komputer w impulsy elektryczne tworząc obraz na ekranie.

Fala uderzeniowa jest to cienka warstwa powietrza, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu. Rozchodzi się szybciej niż dźwięk, powstaje podczas silnego wybuchu lub ruchu ciała z prędkością ponaddźwiękową (samolot). Fala która powstaje przy wybuchach rozchodzi się promieniście, zanika wraz z oddaleniem się od źródła. W momencie osłabienia rozchodzi się dalej jako fala dźwiękowa.

Fala boczna jest to fala, która powstaje na granicy co najmniej dwóch ośrodków podczas padania na nie fali kulistej.

Fala kulista jej powierzchnie falowe mają kształt współśrodkowych powierzchni kulistych. Środek ich jest nazywany środkiem fali. Fale te mają zastosowanie do wyjaśnienia zjawisk odbicia i załamania.

Fala nośna jest to fala elektromagnetyczną o stałej częstotliwości wytwarzana przez nadajnik fal elektromagnetycznych. Podlega modulacji w celu przesłania sygnału informacyjnego, natomiast sama nie zawiera informacji.

Fala stojąca, której pozycja w przestrzeni pozostaje niezmienna. Może powstać w ośrodku poruszającym się względem obserwatora lub w przypadku interferencji dwóch fal poruszających się w przeciwnych kierunkach. Można ją również potraktować jako drgania ośrodka, które nazywamy drganiami normalnymi. Taką falą jest fala atmosferyczna powstająca w powietrzu, wykorzystywana przez pilotów szybowcowych.
Również można ją wykorzystać w urządzeniach, które wytwarzają drgania:
- Wnęki rezonansowe
- Pudła rezonansowe
- Instrumenty muzyczne (piszczałki organowe)