Bølger
En bølge er en forstyrrelse, der udbreder sig. Energi og impuls kan bevæge sig, mens partikler i mediet hovedsageligt svinger lokalt omkring deres ligevægtsposition. Amplitude, bølgelængde, frekvens, fase og hastighed er fælles begreber.
Beskriv en periodisk bølge
Bølgelængden λ er afstanden mellem tilsvarende punkter i to efterfølgende cykler. Frekvensen f er cykler pr. sekund, perioden er T = 1/f, og udbredelseshastigheden opfylder v = fλ.
Amplituden er den største lokale udsvingning og er ikke det samme som bølgens hastighed.
Relationen v=fλ adskiller tre roller: kilden fastlægger frekvensen, mediet bestemmer udbredelseshastigheden, og bølgelængden tilpasser sig, så de passer sammen. Ved en grænse kan f derfor være uændret, mens v og λ ændres.
Tværgående og longitudinale bølger
I en tværgående bølge er den lokale bevægelse vinkelret på udbredelsen, som på en stram snor. I en longitudinal bølge er bevægelsen parallel med udbredelsen; lyd i luft består af fortætninger og fortyndinger.
Superposition og interferens
Når bølger overlapper, lægges udsvingene algebraisk sammen. Samme fase kan forstærke, modsat fase kan svække eller helt ophæve. Efter overlapningen fortsætter de enkelte bølger.
Et stabilt interferensmønster kræver en tilstrækkeligt stabil faserelation. Destruktiv interferens ødelægger ikke energi; den omfordeler intensiteten mellem steder eller retninger.
Refleksion og stående bølger
En indkommende og en reflekteret bølge kan danne et stående mønster med knuder og buge. For en snor fastgjort i begge ender: λn = 2L/n og fn = nv/(2L).
Randbetingelserne bestemmer de tilladte svingningsformer.
Amplitude, energi og hastighed
Større amplitude betyder normalt mere transporteret energi, men ikke nødvendigvis større udbredelseshastighed. På en snor bestemmes hastigheden især af spænding og lineær massefylde. I dispersive medier kan hastigheden afhænge af frekvensen.
Ved en grænseflade er frekvensen stadig bestemt af kilden; ændres hastigheden, ændres bølgelængden.
I mange lineære bølgesystemer vokser den transporterede energi omtrent med amplitudens kvadrat. En fordobling af amplituden kan derfor give fire gange så stor intensitet uden at ændre udbredelseshastigheden.
Gennemregnede eksempler
Lydens bølgelængde
f = 440 Hz, v = 343 m s⁻¹.
Løsning
λ = 343/440 = 0,780 m.
Periode fra frekvens
f = 25 Hz.
Løsning
T = 1/25 = 0,040 s.
Superposition
+3,0 cm og −1,2 cm samtidigt.
Løsning
Resultat = +1,8 cm.