Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Dwa płyny elektryczne
Płyny magnetyczne
Pierwsza poważna
Prędkość światła
Światło jako subst.
Zagadka barwy
Co to jest fala?
Falowa teoria światła
Podłużne czy . . .
Eter a pogląd . . .
Streszczamy
Pole i teoria
względności

Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Co to jest fala?
 
Co to jest fala?
 
P
lotka puszczona w Londynie bardzo szybko dochodzi do Edynburga, nawet jeśli żadna z osób, które przyczyniły się do jej rozpowszechniania nie przejeżdża z jednego miasta do drugiego. Wchodzą tu w grę dwa zupełnie różne rodzaje ruchu – ruch plotki z Londynu do Edynburga oraz ruch rozpowszechniających ją osób. Wiatr wiejący nad łanem zboża wywołuje falę, która rozchodzi się po całym polu. Również tu musimy odróżnić ruch fali od ruchu poszczególnych kłosów, które wykonują tylko małe drgania. Każdy z nas widział fale rozchodzące się coraz szerszymi kręgami, gdy do sadzawki wrzuci się kamień. Ruch fali różni się bardzo od ruchu cząsteczek wody. Cząsteczki poruszają się tylko w górę i w dół. Obserwowany ruch fali jest ruchem stanu materii, a nie samej materii. Wykazuje to wyraźnie pływający po wodzie korek, który naśladując prawdziwy ruch wody, wznosi się i opada, lecz nie posuwa się z falą.
       Aby lepiej zrozumieć mechanizm fali, rozważmy znów wyidealizowane doświadczenie. Przypuśćmy, że duży obszar przestrzeni jest wypełniony wodą, powietrzem lub jakimś innym „ośrodkiem”. Gdzieś w środku znajduje się kula. Na początku doświadczenia nie ma żadnego ruchu. Nagle kula zaczyna rytmicznie oddychać, rozszerzając się i kurcząc, ale zachowując swój kulisty kształt. Co zajdzie w ośrodku? Rozpocznijmy od chwili, gdy kula zaczyna się rozszerzać. Cząsteczki ośrodka pozostające w bezpośrednim sąsiedztwie kuli zostają odepchnięte, tak że gęstość kulistej warstwy wody lub powietrza wzrasta ponad swą normalną wartość. Podobnie gdy kula się kurczy, gęstość tej bezpośrednio otaczającej ją warstwy ośrodka będzie malała. Te zmiany gęstości rozchodzą się po całym ośrodku. Cząstki, z których składa się ośrodek, wykonują tylko małe drgania, ale cały ruch jest ruchem postępującej fali. Zasadniczą nowością jest tutaj to, że po raz pierwszy rozważamy ruch nie materii, lecz energii w niej się rozchodzącej.
       Na przykładzie pulsującej kuli możemy wprowadzić dwa ogólne pojęcia fizyczne ważne dla opisu fal. Pierwsze z nich – to prędkość rozchodzenia się fali. Zależy ona od ośrodka i jest inna na przykład dla wody niż dla powietrza. Drugim pojęciem jest długość fali. W przypadku fal na morzu lub w rzece jest to odległość między dolinami albo grzbietami sąsiednich fal. Długość fal na morzu jest więc większa niż na rzece. W przypadku naszych fal wytworzonych przez pulsującą kulę długość fali jest odległością w pewnej określonej chwili między dwiema sąsiednimi warstwami kulistymi, w których zachodzi maksimum lub minimum gęstości. Odległość ta nie będzie oczywiście zależała tylko od ośrodka. Duży wpływ będzie miała prędkość drgań kuli, przy drganiach szybkich długość fali będzie mniejsza, przy wolnych – większa.
       Pojęcie fali okazało się w fizyce bardzo pożyteczne. Jest to niewątpliwie pojęcie mechanistyczne. Zjawisko sprowadza się do ruchu cząsteczek, z których według teorii kinetycznej składa się materia. Tak więc, każdą teorię stosującą pojęcie fali można na ogół uważać za teorię mechanistyczną.
Na tym pojęciu opiera się na przykład zasadniczo wyjaśnienie zjawisk akustycznych. Drgające ciała, takie jak struny głosowe albo skrzypcowe, są źródłem fal dźwiękowych rozchodzących się w powietrzu tak, jak to wyjaśniliśmy na przykładzie pulsującej kuli. Za pomocą pojęcia fali można więc wszystkie zjawiska akustyczne sprowadzić do mechaniki.
       Jak już podkreślaliśmy, należy odróżniać ruch cząsteczek od ruchu samej fali, która jest stanem ośrodka. Ruchy te są zupełnie różne, widać jednak, że w naszym przykładzie zachodzą one wzdłuż tej samej linii prostej. Cząsteczki ośrodka drgają wzdłuż krótkich odcinków prostoliniowych i zgodnie z tym ruchem gęstość okresowo wzrasta i maleje. Kierunek rozchodzenia się fali jest ten sam, co kierunek linii, wzdłuż której zachodzą drgania. Taka fala nazywa się falą podłużną. Czy jest to jednak jedyny rodzaj fali? W naszych dalszych rozważaniach trzeba wziąć pod uwagę możliwość istnienia fal innego rodzaju, zwanych falami poprzecznymi.
       Zmieńmy nasz poprzedni przykład. Nadal mamy kulę, ale jest ona teraz zanurzona w ośrodku innego typu, nie w powietrzu lub wodzie, lecz w czymś w rodzaju galarety. Poza tym kula nie pulsuje, lecz obraca się wokół stałej osi o mały kąt, to w jedną, to w drugą stronę. Galareta przylega do kuli, toteż przywierające części zmuszone są naśladować jej ruch. Te części zmuszają do naśladowania ich ruchu części dalej położone i tak dalej, w rezultacie czego w ośrodku powstaje fala.
Pamiętając o różnicy między ruchem ośrodka a ruchem fali, spostrzegamy, że tym razem kierunki ich nie pokrywają się. Fala rozchodzi się w kierunku promienia kuli, podczas gdy części ośrodka poruszają się prostopadle do tego kierunku. Wytworzyliśmy więc falę poprzeczną.
       Fale rozchodzące się na powierzchni wody są falami poprzecznymi. Pływający korek kołysze się tylko w górę i w dół, ale fala rozchodzi się w płaszczyźnie poziomej. Natomiast fale dźwiękowe są najbardziej znanym przykładem fal podłużnych.
       I jeszcze jedna uwaga: fala, jaką w jednorodnym ośrodku wytwarza pulsująca lub drgająca kula, jest falą kulistą. Nazwa ta pochodzi stąd, że w każdej określonej chwili wszystkie punkty położone na dowolnej kuli otaczającej współśrodkowo źródło zachowują się tak samo. Rozważmy wycinek takiej kuli w dużej odległości od źródła.
       Im dalej od źródła i im mniejszy w y c i n e k, tym bardziej przypomina on płaszczyznę. Bez pretensji do zbytniej ścisłości możemy powiedzieć, że nie ma istotnej różnicy między wycinkiem płaszczyzny a wycinkiem kuli o dostatecznie dużym promieniu. O małych wycinkach fali kulistej w dużych odległościach od źródła często mówimy jako o falach płaskich. Im dalej od środka kuli znajduje się mały wycinek fali kulistej i im mniejszy będzie kąt między dwoma promieniami, tym lepszy będzie nasz obraz fali płaskiej. Pojęcie fali płaskiej, jak i wiele innych pojęć fizycznych, jest jedynie fikcją, którą można zrealizować tylko z pewnym przybliżeniem. Jest to jednak pojęcie pożyteczne, które przyda się nam jeszcze później.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach