Există trei moduri principale în care mișcarea undelor diferă de mișcarea obiectelor din materie.
1. Superpoziția (suprapunerea)
Prima și cea mai profundă diferență dintre mișcarea undelor și mișcarea obiectelor este că undele nu afișează nicio respingere una față de alta, similară forțelor normale dintre obiectele care vin în contact. Prin urmare, două unde se pot suprapune în aceeași regiune a spațiului.
Atunci când cele două unde sunt în același loc, ele se adună. De exemplu, să presupunem că la o anumită locație într-un anumit moment două valuri au fiecare o creastă (maxim) cu 3 cm deasupra nivelului normal al apei. Valurile se combină în acest moment pentru a crea un val de 6 cm.
Folosim numere negative pentru a reprezenta minimele din apă. Dacă ambele valuri ar fi avut minime de -3 cm, atunci se combină pentru a forma un nou minim de -6 cm.
Un val cu un maxim de +3 cm și o minimă („vale”) de -3 cm au ca rezultat o înălțime zero, adică valurile se anulează reciproc. Această regulă aditivă este denumită „principiul suprapunerii”, „superpoziție” fiind doar un cuvânt elegant pentru „adăugare”.
Suprapunerea poate avea loc nu numai cu unde sinusoidale, ci cu unde de orice formă. Imaginile de mai jos arată suprapunerea unor unde de durată foarte scurtă. Acestea constau doar dintr-un singur maxim și o singură minimă. Dacă miști brusc o sfoară, de la ambele capete, vei observa „impulsurile”, undele, care se îndreaptă în ambele direcții. Acest lucru este similar cu modul în care undele se răspândesc în toate direcțiile atunci când provocați o perturbare într-un lac. Același lucru se întâmplă și atunci când ciocanul special al unui pian lovește o coardă.
figura 1
1 / Aceste imagini arată mișcarea undelor de-a lungul unei sfori. Pentru a crea o undă, la un capăt este nevoie de un impuls generator.
1. O undă se deplasează spre stânga.
2. Suprapunerea a două unde pozitive.
3. Suprapunerea a două unde, una pozitivă și una negativă.
2. Mediul nu este transportat odată cu unda
figura 2
2 / Pe măsură ce unda trece de rața de cauciuc, rața rămâne în aceeași poziție, arătând că corpul apei nu se mișcă înainte cu valul.
Figura 2 prezintă o serie de valuri înainte de a ajunge la rața de cauciuc (stânga), după ce tocmai a trecut de rață (mijloc) și a trecut cu aproximativ un metru dincolo de rață (dreapta). Rața se învârte în jurul poziției sale inițiale, dar nu se deplasează cu valul. Dacă s-ar întâmpla, am putea goli un capăt al unei piscine doar generând valuri! Trebuie să facem distincția între mișcarea mediului (apa în acest caz) și mișcarea undei prin mediu. Mediul vibrează; valul se deplasează prin spațiu.
3. Viteza unei unde depinde de mediu
Un obiect material se poate deplasa cu (aproape) orice viteză și poate fi accelerat sau încetinit de o forță care îi mărește sau scade energia cinetică. Nu stau la fel lucrurile cu valurile.
Viteza unei unde depinde de proprietățile mediului (și poate de forma undei, pentru anumite tipuri de unde).
Undele sonore se deplasează cu aproximativ 340 m / s în aer, 1.000 m / s în heliu. Dacă generați valuri într-o piscină, veți descoperi că lovirea mai puternică a apei duce la valuri mai înalte (și, prin urmare, care transportă mai multă energie), nu mai rapide. Undele sonore generate de o dinamită care explodează transportă multă energie, dar nu sunt mai rapide decât orice alte unde sonore.
Odată ce se creează o undă, singurul motiv pentru care viteza acesteia se va modifica este dacă intră într-un mediu diferit sau dacă proprietățile mediului se schimbă. Nu este atât de surprinzător faptul că o schimbare a mediului poate încetini o undă, dar se poate întâmpla și invers.
O undă sonoră care călătorește printr-un balon de heliu va încetini atunci când se află în aer, dar dacă intră într-un alt balon de heliu va accelera din nou! În mod similar, valurile de apă călătoresc mai repede peste o apă mai adâncă, astfel încât un val va încetini pe măsură ce trece peste o zonă cu apă mai mică (stânci subacvatice, de exemplu, ori acumulări de nisip), dar se va accelera din nou pe măsură ce apa devine mai adâncă.
Modele de unde
figura 3/1 și 3/2
Dacă magnitudinea vectorului de viteză al undei este prestabilită, ce știm de direcția undei? Undele se răspândesc în toate direcțiile din fiecare punct al perturbării care le-a creat. Dacă perturbarea este mică, o putem considera ca un singur punct și, în cazul undelor de apă, modelul de undă rezultat este ondulația circulară cu care suntem obișnuiți (figura 3/1).
Dacă, pe de altă parte, dacă așezăm un băț orizontal pe suprafața apei și îl agităm în sus și în jos, vom crea un model de undă liniară (figura 3/2).
figura 4
Pentru o undă tridimensională, cum ar fi o undă sonoră, modelele analogice ar fi unde sferice și undele plane (figura 4).
Sunt posibile nenumărate modele, dar undele liniare sau plane sunt adesea cel mai simplu de analizat, pentru că vectorul viteză este în aceeași direcție, indiferent de ce parte a undei privim. Deoarece toți vectorii de viteză sunt paraleli unul cu celălalt, avem de-a face cu o situație unidimensională.
— ••• —
Acest articol este parte din cartea „Fizica conceptuală” de Benjamin Crowell
CUPRINS
8.2 Mișcarea undelor
