Fale. Ruch falowy, fala mechaniczna

Fala mechaniczna w przeciwieństwie do fali elektromagnetycznej może się rozchodzić tylko w ośrodkach sprężystych. Im ośrodek jest bardziej sprężysty tym szybkość rozchodzenia się fali mechanicznej jest większa. Wystarczy porównać wartości szybkości dźwięku w kilku różnych ośrodkach- materiałach, w których się rozchodzi.

Stal [m/s]	Woda [m/s]	Powietrze [m/s]	Próżnia [m/s]
5000	1450	330	0

Dlaczego tak jest? Odpowiedzi należy szukać w "budowie" materiału, w którym rozchodzi się fala. Im cząsteczki tworzące materiał są bliżej siebie tym szybciej rozejdzie się fala w takim ośrodku. Można powiedzieć, że sąsiadujące ze sobą cząsteczki mają krótszą drogę do siebie, aby się zderzyć. W wyniku zderzenia przekazują sobie energię a nie masę! Po zderzeniu każda z cząsteczek wraca na swoje miejsce.

Mając na uwadze powyższe można podać definicję fali mechanicznej (sprężystej)

Fala mechaniczna (sprężysta)

, to zaburzenie rozchodzące się w ośrodku sprężystym, na przykład: w stali, w wodzie, w powietrzu, ale nie w próżni!; polegające na drganiach niewielkich obszarów ośrodka wokół ich położeń równowagi.
Ze względu na kierunek drgania cząsteczki ośrodka, przez który przechodzi fala (zaburzenie) dzielimy na
a) fale podłużne- cząsteczki ośrodka drgają równolegle do kierunku rozchodzenia się fali

b) fale poprzeczne- cząsteczki ośrodka drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali

Cechy ruchu fal i wielkości opisujące fale

fala sprężysta nie rozchodzi się w próżni
fala sprężysta przenosi energię
fala sprężysta nie przenosi masy
fala sprężysta w danym ośrodku rozchodzi się ze stałą szybkością

Falę opisują poniższe zależności fizyczne
opis fali mechanicznej

Amplituda

Amplituda fali, to maksymalne wychylenie z położenia równowagi drgającej cząsteczki ośrodka; jednostka to metr

Długość fali

Długość fali, to droga przebyta przez falę w czasie, gdy wybrana cząsteczka drgającego ośrodka wykona jedno pełne drganie; jednostka to metr

Okres fali

Okres fali, to czas potrzebny drgającej cząsteczce na wykonanie jednego pełnego drgania; jednostka to sekunda

Częstotliwość fali

Częstotliwość fali, to ilość pełnych drgań wykonanych przez cząsteczkę w czasie jednej sekundy, nie zależy od ośrodka, w którym się rozchodził jednostka to herc- Hz, odpowiada 1/s

Przejście fali przez granice ośrodków

Niezależnie od rodzaju fali, fala przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego (na przykład powietrze- woda) nie zmienia swojej częstotliwości, zmieni się jej prędkość oraz długość, ale częstotliwość nie zmienia się.

Interferencja fal

Interferencja fal, jeżeli przez ośrodek przechodzi równocześnie kilka fal rozchodzących się z różnych źródeł to wychylenie, jakiego doznaje każda cząsteczka ośrodka jest suma wychyleń każdej z fal. Drgania cząsteczki mogą się osłabiać lub wzmacniać w zależności od tego czy są wynikiem nakładania się fal o fazach zgodnych czy przeciwnych
Maksymalne wzmocnienie fal nastąpi, gdy fazy nakładających się na siebie fal są takie same lub różnią się w czasie o jednakową wartość

Wygaszenie fal nastąpi, gdy fazy nakładających się na siebie fal są przeciwne lub różnią się o nieparzystą wielokrotność połowy długości fali
interferencja wygaszenie

gdzie r, to odpowiednie odległości źródeł fal od punktu ich spotkania.

Dyfrakcja fal

Dyfrakcja fal, to zjawisko ugięcia fali na przeszkodzie lub przy przejściu przez szczelinę

Zasada Huygensa

Każdy punkt ośrodka, do którego dotrze czoło fali, staje się nowym źródłem fali kulistej.

Fale stojące

Fale stojące najczęściej powstają w ciałach o skończonych rozmiarach, są wynikiem nakładania się fal biegnących z falami odbitymi od końców tego ciała.. W fali stojącej wyróżnia się dwa charakterystyczne punkty: