Vlny

Vlna je šíriaca sa porucha, ktorá prenáša energiu a hybnosť bez potreby trvalého transportu prostredia spolu s poruchou. Rovnaký jazyk — amplitúda, vlnová dĺžka, frekvencia, fáza a rýchlosť — opisuje struny, zvuk, vodné aj elektromagnetické vlny.

lambdaAv = f lambda

Ako opísať periodickú vlnu

Vlnová dĺžka λ je priestorová perióda vzoru, frekvencia f počet cyklov za sekundu a perióda T = 1/f čas jedného cyklu. Pri sínusovej vlne fáza určuje polohu v cykle.

Rýchlosť šírenia spĺňa v = fλ. Nie je to rýchlosť častíc prostredia; častice môžu kmitať okolo rovnováhy, kým porucha sa šíri na veľkú vzdialenosť.

Priečne a pozdĺžne vlny

Pri priečnej vlne je smer poruchy kolmý na smer šírenia. Typickým príkladom je vlna na napnutej strune.

Pri pozdĺžnej vlne sú kmity rovnobežné so smerom šírenia a vytvárajú zhustenia a zriedenia. Zvuk vo vzduchu je prevažne pozdĺžna vlna.

Kalkulačka vlny

Superpozícia a interferencia

V lineárnom prostredí sa prekrývajúce vlny sčítavajú. Rovnaká fáza vedie k zosilneniu, opačná fáza môže viesť k čiastočnému alebo úplnému vyrušeniu.

Interferencia obyčajne neznamená zničenie vĺn. Po prekrytí môžu pokračovať ďalej a energia sa iba prerozdeľuje v priestore.

Odraz a stojaté vlny

Odrazená vlna sa môže prekryť s dopadajúcou a vytvoriť stojatú vlnu s uzlami a kmitňami. Pre strunu upevnenú na oboch koncoch platí λ_n = 2L/n.

Zodpovedajúce frekvencie sú f_n = nv/(2L). Okrajové podmienky vyberajú dovolené módy, preto systém nereaguje rovnako na každú frekvenciu.

Amplitúda, energia a rýchlosť nie sú to isté

Väčšia amplitúda obyčajne znamená viac energie, ale nemusí znamenať väčšiu rýchlosť šírenia. Pri ideálnej napnutej strune rýchlosť malých vĺn určuje najmä ťah a lineárna hustota.

V disperznom prostredí závisí fázová rýchlosť od frekvencie, takže impulz môže meniť tvar. Vzťah v = fλ stále platí pre každú sínusovú zložku.

Čo sa deje na rozhraní

Frekvencia zostáva viazaná na zdroj. Ak sa v novom prostredí zmení rýchlosť vlny, musí sa zmeniť jej vlnová dĺžka λ = v/f.

To je kľúčové pri lome svetla aj pri zvuku v rôznych materiáloch. Samotná zmena prostredia automaticky nemení frekvenciu určenú zdrojom.

Ako vlnu merať

Z priestorového snímku v jednom okamihu určíme λ ako vzdialenosť medzi susednými bodmi s rovnakou fázou. Z časového záznamu v jednom mieste získame periódu T ako čas medzi po sebe idúcimi maximami a potom f = 1/T.

Toto rozlíšenie bráni častej chybe: časovú os nemožno priamo čítať ako vlnovú dĺžku. Až znalosť rýchlosti umožní prechádzať medzi časovým a priestorovým opisom pomocou v = fλ.

Vyriešené príklady

1. Zvuk 440 Hz

Riešenie

Pri v = 343 m/s vychádza λ = v/f ≈ 0,780 m.

2. Stojatá vlna na strune

Riešenie

Pre L = 1,2 m a n = 3 je λ₃ = 2L/3 = 0,80 m.

3. Nové prostredie

Riešenie

Ak f zostane rovnaké a v klesne o 20 %, λ tiež klesne o 20 %.