Golven
Een golf is een zich voortplantende verstoring. Energie en impuls kunnen zich verplaatsen terwijl de deeltjes van het medium lokaal rond hun evenwichtspositie bewegen. Amplitude, golflengte, frequentie, fase en snelheid vormen één taal voor veel soorten golven.
Een periodieke golf beschrijven
De golflengte λ is de afstand tussen equivalente punten in opeenvolgende cycli. De frequentie f is het aantal cycli per seconde en T = 1/f. De voortplantingssnelheid voldoet aan v = fλ.
Amplitude is de maximale afwijking van evenwicht en is niet hetzelfde als de voortplantingssnelheid.
De relatie v=fλ scheidt drie rollen: de bron bepaalt de frequentie, het medium bepaalt de voortplantingssnelheid en de golflengte past zich aan zodat beide verenigbaar zijn. Daarom kan bij een grensvlak f gelijk blijven terwijl v en λ veranderen.
Transversale en longitudinale golven
Bij een transversale golf staat de lokale beweging loodrecht op de voortplantingsrichting, zoals op een gespannen snaar. Bij een longitudinale golf ligt de beweging in de voortplantingsrichting en ontstaan verdichtingen en verdunningen, zoals bij geluid in lucht.
Superpositie en interferentie
Als golven elkaar overlappen, tellen de uitwijkingen algebraïsch op. Gelijke fase geeft versterking; tegengestelde fase kan gedeeltelijke of volledige uitdoving geven. Na de overlap blijven de oorspronkelijke golven verder lopen.
Een stabiel interferentiepatroon vraagt een voldoende vaste faserelatie. Destructieve interferentie vernietigt geen energie; zij verdeelt de intensiteit anders over plaats of richting.
Reflectie en staande golven
Een invallende en teruggekaatste golf kunnen een staande golf vormen met knopen en buiken. Voor een snaar die aan beide uiteinden vastzit: λn = 2L/n en fn = nv/(2L).
De randvoorwaarden bepalen welke modi zijn toegestaan.
Amplitude, energie en snelheid
Een grotere amplitude betekent doorgaans meer getransporteerde energie, maar niet automatisch een grotere golfsnelheid. Op een snaar wordt de snelheid vooral bepaald door spanning en lineaire massadichtheid. In dispersieve media kan snelheid ook van frequentie afhangen.
Bij een grensvlak blijft de frequentie door de bron bepaald; verandert de snelheid, dan verandert de golflengte.
In veel lineaire golfsystemen groeit de getransporteerde energie ongeveer met het kwadraat van de amplitude. Een verdubbeling van de amplitude kan dus een viervoudige intensiteit geven zonder dat de voortplantingssnelheid verandert.
Uitgewerkte voorbeelden
Golflengte van geluid
Geluid van 440 Hz beweegt met 343 m s⁻¹.
Oplossing
λ = 343/440 = 0,780 m.
Periode uit frequentie
f = 25 Hz. Bereken T.
Oplossing
T = 1/25 = 0,040 s.
Superpositie
Twee pulsen geven gelijktijdig +3,0 cm en −1,2 cm.
Oplossing
Resultaat = 3,0 + (−1,2) = +1,8 cm.