background image

 

1

Pojęcie i opis ruchu falowego. Podstawowe zjawiska towarzyszące rozchodzeniu 
się fal  

Falą mechaniczną nazywamy zjawisko rozchodzenia się zaburzeń ośrodka. Źródłem fali jest ciało 

drgające. 

Ośrodek sprężysty ma tę  właściwość, ze siłom, które usiłują spowodować jego odkształcenie, 

przeciwstawia siły sprężyste, które po usunięciu sił odkształcających usuwają odkształcenie. Wytrącenie 
zespołu cząsteczek takiego ośrodka z położenia równowagi powoduje ich drganie wokół tego położenia, 
przy czym wskutek jego właściwości sprężystych zaburzenie przenosi się z jednej warstwy ośrodka na 
następną, wprawiając ją w ruch drgający o takim samym okresie drgań. Takie właśnie przenoszenie drgań 
nazywamy ruchem falowym lub krótko falą. 

Fale mechaniczne (ze względu na wymiar) dzielimy na:  

• 

fale liniowe (jednowymiarowe) - np. na gumowym wężu, 

• 

fale powierzchniowe (dwuwymiarowe) - np. na wodzie, 

• 

fale przestrzenne (trójwymiarowe) - np. dźwięk w powietrzu. 

W zależności od kierunku drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali 
rozróżnia się fale poprzeczne i fale podłużne
Fala poprzeczna to taka fala, której cząsteczki ośrodka drgają w kierunku prostopadłym do kierunku 
rozchodzenia się fali. 
Prędkość fali poprzecznej w płynach lub cienkich, długich prętach wynosi:  
 

 

- współczynnik ściśliwości płynu; moduł sztywności ciała stałego  
- gęstość ośrodka 

Fala podłużna jest to fala, której cząsteczki ośrodka drgają w kierunku zgodnym z kierunkiem 
rozchodzenia się fali. 
Ponieważ rozchodzenie się fal podłużnych jest związane z okresowymi zmianami gęstości ośrodka, fale 
te mogą się rozchodzić we wszystkich ośrodkach wykazujących sprężystość objętości, a więc zarówno w 
ciałach stałych, cieczach jak i w gazach.  
 
Prędkość fali podłużnej w płynach lub cienkich, długich prętach wynosi: 
 

 

 

- moduł Younga  

- gęstość ośrodka  

 
Ze względu na czoło fali fale dzielą się na płaskie i kuliste. Jeżeli drgania rozchodzą się w jednym 
kierunku, to powierzchnie fali są płaszczyznami i mówimy o fali płaskiej. Jeżeli zaś fala wywołana przez 
punktowe  źródło drgań rozchodzi się w ośrodku jednorodnym, to prędkość jej jest jednakowa we 
wszystkich kierunkach i powierzchnia fali ma postać kuli. Mówimy wtedy o fali kulistej
 
Wielkości charakteryzujące falę to: 

- amplituda fali 

- okres fali  

- częstotliwość fali  

- prędkość fali (prędkość fali w danym ośrodku jest stała)  

- długość fali (odległość między najbliższymi cząsteczkami drgającymi w zgodnych fazach)  

background image

 

2

Fala przebywa drogę równą swojej długości w czasie okresu.  

 

Zasada Huygensa 
Opis ruchu falowego komplikuje się z chwilą, gdy czoło fali dociera do granicy obszaru swobodnego 
rozprzestrzeniania się fali, lub do granicy dwu ośrodków, w których prędkości rozchodzenia się fal są 
różne. Metody opisu ruchu falowego w tym przypadku dostarcza zasada Huygensa.  
U źródła zasady Huygensa leżą trzy obserwacje doświadczalne:  

• 

Drgające źródła punktowe wysyłają w ośrodku jednorodnym i izotropowym fale koliste. 

• 

Fale wysyłane przez różne źródła rozchodzą się w ośrodku niezależnie od siebie (zasada 
superpozycji). 

• 

Fale nie rozchodzą się w ośrodku natychmiastowo, lecz ze skończoną prędkością - coraz to nowe 
punkty ośrodka są pobudzane do drgań. 
Na podstawie tych obserwacji Huygens wysunął hipotezę, że: 

Każdy punkt ośrodka, do którego dochodzi fala, można traktować jako elementarne źródło wtórnej 
fali kolistej. 

Równanie fali 

Aby wyprowadzić równanie fali posłużymy się wykresem zależności wychylenia od odległości od źródła.  
 

 

- wychylenie  

- odległość od źródła  

 
Wykorzystujemy równanie ruchu drgającego na opisanie położenia punktów A i B.  
Punkt A - 

 

Punkt B - 

 

- czas, w którym fala przebywa drogę 

 

 

Podstawiamy za  powyższy wzór i przekształcamy, aby otrzymać równanie fali w prostszej postaci:  

 

Równanie fali można także wyrazić przy pomocy liczby falowej k, której wartość wstawiona do 

background image

 

3

otrzymanego wzoru da inną postać równania fali:  

 

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.  

Zjawisko nakładania się dwu lub więcej fal harmonicznych tej samej długości, prowadzące do 

powstania ustalonego w czasie rozkładu przestrzennego obszarów wzmocnienia i osłabienia fali, 

nazywamy interferencją fal.  

 

WZMOCNIENIE  
 

 

 
Jeżeli obie fale będą miały takie same amplitudy to nastąpi maksymalne wzmocnienie.  
Wzmocnienie następuje w takich przypadkach:  

 

Maksymalne wzmocnienie fali następuje we wszystkich punktach, dla których różnica odległości od 
źródeł równa się całkowitej wielokrotności długości fali.  

 

WYGASZENIE  
 

 

background image

 

4

 

Wygaszenie następuje we wszystkich punktach, dla których różnica odległości od źródeł jest równa 
nieparzystej wielokrotności połowy długości fali.  

 

Wyprowadźmy warunki na wygaszenie i wzmocnienie fal mechanicznych (korzystając z równania 
fali):  

 

 

Korzystamy ze wzoru na sumę funkcji trygonometrycznych:  

 

 

I. 

Wygaszenie nastąpi, gdy amplituda będzie równa zero:  

 

Zamiast k podstawiamy 

i otrzymujemy:  

 

II. 

 
II. Wzmocnienie nastąpi, gdy:  

 

background image

 

5

Zamiast k podstawiamy 

i otrzymujemy:  

 

Dyfrakcja fal mechanicznych 
 

Dyfrakcją fali nazywamy ugięcie fali, czyli zmianę kierunku rozchodzenia się fali na szczelinach, 

krawędziach, przeszkodach, itp.  

 

Zjawisko dyfrakcji jest typowym dla fal. Tłumaczy je zasada Huygensa. Łatwo jest zaobserwować 
dyfrakcję fal, ustawiając w zbiorniku z wodą przegrodę z wąską szczeliną i wytwarzając po jednej stronie 
falę  płaską. W chwili, gdy fala ta dojdzie do przegrody - szczelina staje się  źródłem fali kołowej, 
rozchodzącej się z niej we wszystkich kierunkach po drugiej stronie przegrody. Tą sytuację ilustruje 
rysunek:  

 

Umieszczając w zbiorniku z wodą przegrodę z dwiema szczelinami, równoległą do powierzchni 
wytwarzanej fali płaskiej, możemy obserwować zarówno dyfrakcję jak i interferencję fal ugiętych. 
Ponieważ powierzchnia fali płaskiej dochodzi do obydwu szczelin w tej samej chwili, stają się one, 
zgodnie z zasadą Huygensa, źródłami elementarnych fal kołowych o jednakowych fazach i amplitudach. 
amplitudach wyniku nakładania się fal w tych punktach powierzchni wody, do których dojdą fale o 
jednakowych fazach, następuje wzmocnienie drgań i powierzchnia wody staje się silniej pofałdowana, w 
innych zaś, do których dojdą fale o fazach przeciwnych , następuje wygaszenie drgań i powierzchnia 
wody staje się gładka, tworząc charakterystyczne "linie węzłów".  

 

Zasada Fermata 

Fala biegnąca z jednego punktu do drugiego przebywa drogę, na której przebycie trzeba w porównaniu 

z innymi sąsiednimi drogami minimum lub maksimum czasu.  

 

 
Zasada ta prowadzi do prawa rozchodzenia się światła po liniach prostych w ośrodkach jednorodnych 
oraz do praw odbicia i załamania fal.  
Odbicie fal mechanicznych 

Kątem padania nazywamy kąt zawarty między promieniem fali padającej, a prostą prostopadłą 

(normalną) do płaszczyzny odbijającej.  

 

 

background image

 

6

Kątem odbicia nazywamy kąt zawarty między promieniem fali odbitej, a prostą prostopadła (normalną) 

do płaszczyzny odbijającej.  

 

 
 

 

 
PRAWO ODBICIA  

Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Promień fali padającej, promień fali odbitej i prosta prostopadła 

(normalna) płaszczyzny odbijającej leżą w jednej płaszczyźnie.  

 

 

 

Przy odbiciu fali od ośrodka bardziej sztywnego następuje zmiana fazy na przeciwną.  
Wyprowadzenie prawa odbicia:  
 
I. geometrycznie  

 

Odcinki BC i AD muszą być przebyte w tym samym czasie, więc:  

 

 

II. z zasady Fermata  

 

Z rysunku na podstawie twierdzenia Pitagorasa odczytujemy, że:  

 

Drogę jaką przebyła fala od punktu A do B oznaczamy literą d:  

background image

 

7

 

Obliczamy czas, w którym fala pokonała drogę z punktu A do B:  

 

Obliczamy pochodną z t:  

 

Obliczoną pochodną przyrównujemy do zera, gdyż funkcja osiąga maksimum lub minimum, gdy jej 
pochodna ma wartość zero.  
 

 

 
Z rysunku odczytujemy wartość funkcji sinus dla obu kątów zaznaczonych na rysunku:  

 

A następnie wstawiamy je do wyżej otrzymanego wzoru i uzyskujemy:  

 

Załamanie fal mechanicznych 

Fala ulega załamaniu, gdy przechodzi z jednego ośrodka do drugiego.  
PRAWO ZAŁAMANIA  

Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania, zwany współczynnikiem załamania n ośrodka 

drugiego względem pierwszego, jest równy stosunkowi prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku 

pierwszym do prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku drugim. w obu ośrodkach. Promień fali 

padającej, promień fali załamanej i prosta prostopadła (normalna) do granicy ośrodków leżą w jednej 

płaszczyźnie.  

 

 

 

Wyprowadzenie prawa załamania:  

 

I. geometrycznie  
 

background image

 

8

 

 
Fala musi pokonać drogę BC w jednym ośrodku w tym samym czasie co drogę AD w drugim ośrodku.  
 

 

 

 

Przekształcamy równanie i otrzymujemy:  

 

II. z zasady Fermata  
 

 

Z rysunku na podstawie twierdzenia Pitagorasa odczytujemy, że:  

 

Drogę jaką przebyła fala od punktu A do B oznaczamy literą s:  

 

Obliczamy czas, w którym fala pokonała drogę z punktu A do B:  

 

Obliczamy pochodną z t:  

 

background image

 

9

Obliczoną pochodną przyrównujemy do zera, gdyż funkcja osiąga maksimum lub minimum, gdy jej 
pochodna ma wartość zero.  
 

 

Z rysunku odczytujemy wartość funkcji sinus dla obu kątów zaznaczonych na rysunku:  

 

A następnie wstawiamy je do wyżej otrzymanego wzoru i uzyskujemy:  

 

 
Fala stojąca 

 
Szczególnym przypadkiem interferencji fal jest powstawanie fali stojącej, będącej wynikiem nakładania 
się dwóch fal o jednakowych amplitudach, częstościach i prędkościach, rozchodzących się w 
przeciwnych kierunkach.  
Falę stojącą można otrzymać najprościej na naciągniętym sprężystym sznurze. Jeśli jeden z jego końców 
tego sznura wprawimy w ruch drgający harmoniczny, to biegnąca wzdłuż niego fala, po dotarciu do 
punktu zamocowania sznura odbije się od niego, przy czym fala odbita ma tę samą częstotliwość i 
amplitudę, co pierwotna fala, lecz porusza się w przeciwnym kierunku. W wyniku nakładania się fali 
pierwotnej i fali odbitej cząsteczki sznura uzyskują, w zależności od ich położenia wzdłuż kierunku 
rozchodzenia się fali, różne amplitudy drgań, zawarte w granicach od zera do wartości podwójnej 
amplitudy fali pierwotnej. Drgania te nazywamy właśnie falą stojącą. 
 

 

background image

 

10

 
 

 

 
Długość ośrodka musi być równa całkowitej wielokrotności połowy długości fali.  

 

Strzałki fali stojącej to punkty o największej amplitudzie drgań.  

 

Węzły fali stojącej to punkty niedrgające (nie wykonujące drgań).  

 

 
Wyprowadźmy równanie fali stojącej oraz warunki na strzałki i węzły. Skorzystamy z równania fali:  

 

Zgodnie z definicją fali stojącej dodajemy równania obu fal:  

 

Korzystamy ze wzoru na sumę funkcji trygonometrycznych:  

 

Otrzymaliśmy wzór równania fali stojącej, z którego możemy wyprowadzić warunki na węzeł i strzałkę 
fali stojącej.  
WĘZEŁ  
 

 

Fala stojąca jest węzłem, gdy odległość jest równa nieparzystej wielokrotności ćwiartki długości fali.  
Wykażmy, że między dwoma sąsiednimi węzłami jest zawsze połowa długości fali.  

 

Korzystając z powyższych równań uzyskamy wzór na różnicę odległości między dwoma sąsiednimi 
węzłami.  
 

background image

 

11

 

STRZAŁKA  

 

Fala stojąca jest strzałką, gdy odległość jest równa całkowitej wielokrotności połowy długości fali.  
Wykażmy, że między dwoma sąsiednimi strzałkami jest zawsze połowa długości fali.  

 

 

Energia fali 

Fala przenosi energię od źródła drgań, które ją wysyła, przy czym energia ta równoważna jest pracy 
zużytej na zakłócenie równowagi cząsteczek ośrodka, w którym rozchodzi się fala (pomijając straty 
na pokonanie oporów ośrodka).  
Badania wykazały, że energia E przenoszona przez falę jest wprost proporcjonalna do kwadratu 
amplitudy i kwadratu częstotliwości fali. Stosunek przepływającej energii E do iloczynu powierzchni 
fali S i czasu t, w którym przepływa jest miarą natężenia fali I.  

 

Jednostką natężenia fali w układzie SI jest W/m

2

.  

W przypadku fali płaskiej rozchodzącej się w ośrodku sprężystym i wysyłanej przez źródło drgań o 

stałej mocy (

 ), natężenie fali ma wartość stałą, gdyż jej powierzchnia S jest stała.  

W przypadku fali kulistej natężenie fali w punkcie P odległym o r od źródła drgań O wynosi:  

 

skąd wynika, że dla źródła drgań o stałej mocy 

natężenie fali kulistej jest odwrotnie 

proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła drgań.  
W ośrodkach materialnych, czyli w rzeczywistych gazach, cieczach i ciałach stałych, w których 
występuje tarcie międzycząsteczkowe, energia, jaką niesie ze sobą fala, ulega rozproszeniu, jest 
bowiem zużywana na pokonanie tarcia i zamienia się na ciepło. Wskutek rozpraszania energii 
amplituda fali maleje ze wzrostem odległości od źródła drgań. Taka fala nosi nazwę fali zanikającej 
lub gasnącej.