Πριν απ’ όλα ας δούμε πως είναι φτιαγμένος ο κόσμος μας. Χοντρικά έχουμε τρεις κατηγορίες υλικών. Τα στερεά, τα υγρά και αέρια. Όλα τα υλικά αποτελούνται από μόρια (όμοια ή διαφορετικά) που αλληλεπιδρούν (ασκούν και δέχονται δυνάμεις) με τα γειτονικά τους. Οι δυνάμεις αυτές είναι πολύ ισχυρές στα στερεά, λιγότερο ισχυρές στα υγρά και πολύ μικρές στα αέρια.
Και οι τρείς παραπάνω κατηγορίες της ύλης ονομάζονται ελαστικά μέσα, αφού υπάρχουν δυνάμεις μεταξύ των δομικών τους μονάδων (των μορίων τους).
Μια καλή εικόνα ενός ελαστικού μέσουν θα δείτε στην προσομοίωση, κάνοντας Click εδώ
Aν στη συνέχεια με το ποντίκι σας απομακρύνετε από τη θέση ισορροπίας μια μπαλίτσα (μόριο – δομική μονάδα του υλικού) και την αφήσετε ελεύθερη θα παρατηρήσετε ότι και οι υπόλοιπες μπαλίτσες θ’ αρχίσουν να κινούνται, αφού αλληλεπιδρούν μεταξύ τους! (Θεωρείστε τις μαύρες γραμμές που συνδέουν τις μπαλίτσες, λάστιχα, μέσω των οποίων ασκούνται δυνάμεις από τη μία μπαλίτσα στην άλλη).
Η αρχική απομάκρυνση μιας μπαλίτσας από τη θέση ισορροπίας ονομάζεται διαταραχή του μέσου και αυτό που παρατηρήσαμε είναι η διάδοση της της διαταραχής σ’όλο το υλικό μέσω των ελαστικών δυνάμεων!
Η διάδοση μιας διαταραχής σ’ ένα ελαστικό μέσο είναι το κύμα!.
Επειδή η ενέργεια που μεταφέρεται μ’ αυτό το κύμα στο ελαστικό μέσο είναι μηχανική, τα κύματα ονομάζονται μηχανικά.
Τί είναι λοιπόν μηχανικό κύμα; Είναι η διάδοση μιας διαταραχής μέσα σ’ένα ελαστικό μέσο.
Συμπέρασμα:
1. Κατά τη διάδοση του κύματος μέσα στο ελαστικό μέσο, τα μόριά του – γενικότερα, σωματίδια – ταλαντώνονται γύρω από μια περιοχή, αλλά δεν μετακινούνται μέσα σ’ αυτό. Δηλ. με το μηχανικό κύμα μεταφέρεται μηχανική ενέργεια και όχι μάζα!
2. Διαδίδονται μέσα σε υλικά μέσα (Στερεά, υγρά και αέρια). Δεν διαδίδονται στο κενό!
ΕΙΔΗ ΚΥΜΑΤΩΝ.
Διακρίνουμε δυο βασικούς τύπους κυμάτων, ανάλογα με τον τρόπο κίνησης των σωματιδίων του μέσου διάδοσης . (Θα ανοίξετε τα προτεινόμενα links στον Η/Υ σας και όχι στο κινητό σας. Θα διαπιστώσετε έτσι την αξία των προσομοιώσεων στην κατανόηση εννοιών)
1. Τα εγκάρσια κύματα:
Στα εγκάρσια κύματα τα σωματίδια του μέσου διάδοσης ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.
https://www.surendranath.org/GPA/Waves/TWRC/TWRC.html
Παρατηρούμε δε τη δημιουργία κοιλάδων και ορέων.
2. Τα διαμήκη κύματα:
Στα διαμήκη κύματα τα σωματίδια του μέσου διάδοσης ταλαντώνονται παράλληλα με τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.
Επίσης κατά τη διάδοση των διάμηκων κυμάτων έχουμε δημιουργία πυκνωμάτων και αραιωμάτων (αυτό κρατείστε το να το σχολιάσουμε όταν θα μιλήσουμε για τον ήχο!)
Τα δυο αυτά μηχανικά κύματα: εγκάρσια και διαμήκη έχουν μια βασική διαφορά: Τα διαμήκη διαδίδονται σε όλα τα υλικά μέσα (στερεά, υγρά και αέρια) ενώ τα εγκάρσια διαδίδονται μόνο στα στερεά.
Πώς παράγεται ένα κύμα;
Ένα μηχανικό κύμα (εγκάρσιο ή διάμηκες) παράγεται όταν σωματίδια εξαναγκάζονται σε ταλάντωση. Αυτό που εξαναγκάζει τα σωματίδια σε ταλάντωση είναι η πηγή που παράγει το κύμα. Η πηγή προσφέρει ενέργεια η οποία μέσω του κύματος μεταφέρεται στο ελαστικό μέσο.
Ποιά είναι τα χαρακτηριστικά ενός κύματος;
Τα χαρακτηριστικά ενός μηχανικού κύματος είναι: 1. Η συχνότητα. 2. Η περίοδος. 3. Το πλάτος ταλάντωσης των σωματιδίων του μέσου διάδοσης. 4 Η ταχύτητα διάδοσης του κύματος. 5. Το μήκος κύματος. λ, του κύματος.
Α. Κατά τη διάδοση ενός κύματος γνωρίζουμε ότι τα σωματίδια του μέσου διάδοσης εκτελούν ταλάντωση. Η συχνότητα και η περίοδος ταλάντωσης των σωματιδίων είναι η συχνότητα και η περίοδος του κύματος. Αυτήν τη συχνότητα (και άρα την περίοδο) του κύματος την ορίζει η συχνότητα ταλάντωσης την πηγής! Δηλ. Αν η συχνότητα της πηγής είναι 2 Ηz, τότε και η συχνότητα του κύματος είναι 2 Ηz (Αντίστοιχα η περίοδος του κύματος θα είναι 1/2 =0,5s)
B. Πλάτος του κύματος ονομάζεται το πλάτος ταλάντωσης των σωματιδίων του μέσου διάδοσης του κύματος. Μάλιστα όσο πιο μεγάλο είναι το πλάτος του κύματος τόσο πιο μεγάλη είναι η ενέργεια που μεταφέρει το κύμα! Με άλλα λόγια, το ποσό της ενέργειας που μεταφέρει το κύμα είναι ανάλογο του πλάτους του κύματος.
Γ. Ταχύτητα διάδοσης του κύματος: Εκφράζει την ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το κύμα μέσα στο μέσο διάδοσης. Αυτή η ταχύτητα εξαρτάται: από το είδος του μέσου, αλλά και από το είδος του κύματος (εγκάρσιο ή διάμηκες). π.χ. τα εγκάρσια κύματα διαδίδονται με μικρότερη ταχύτητα απ’ότι τα διαμήκη στα στερεά.
Δ. Τί ονομάζουμε μήκος κύματος, λ, ενός κύματος;
Έστω ότι έχουμε ένα οριζόντιο νήμα και κρατάμε το ένα του άκρο Ο. Με το χέρια μας – που τώρα είναι η πηγή του κύματος – εξαναγκάζουμε σε ταλάντωση το άκρο Ο, ταλαντώνοντάς το κάθετα στη διεύθυνση του νήματος… ας αξιοποιήσουμε την παρακάτω προσομοίωση:
https://www.surendranath.org/GPA/Waves/TWRC/TWRC.html
Παρατηρούμε την αρχή (κόκκινο σωματίδιο – πηγή του κύματος) και πατάμε Start!
Το κόκκινο σωματίδιο κάνει ταλάντωση ενώ συγχρόνως έχουμε διάδοση του κύματος στο μέσο (νήμα).
Όταν το σωματίδιο Ο εκτελέσει μια πλήρη ταλάντωση, τότε το κύμα θα έχει διαδοθεί μέχρι το σημείο Γ. Η απόσταση ΟΓ ονομάζεται μήκος κύματος!. Δηλαδή το μήκος κύματος, λ, είναι η απόσταση στην οποία διαδίδεται το κύμα σε διάρκεια μιας περιόδου, Τ.
Στα εγκάρσια κύματα το μήκος κύματος είναι η απόταση μεταξύ δυο διαδοχικών ορέων ή δυο διαδοχικών κοιλάδων.
https://www.surendranath.org/GPA/Waves/TWRC/TWRC.html#google_vignette
Ενώ στα διαμήκη το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ δυο διαδοχικών πυκνωμάτων ή δυο διαδοχικών αραιωμάτων του κύματος.
Ποιός είναι ο θεμελιώδης νόμος της κυματικής;
http://ebooks.edu.gr/ebooks/v/html/8547/2226/Fysiki_G-Gymnasiou_html-empl/index5.html
Πόσο γρήγορα διαδίδεται ένα κύμα;
Σε χρόνο μιας περιόδου Τ η απόσταση που διανύει η διαταραχή είναι ίση με ένα μήκος κύματος λ Γνωρίζουμε ότι: υ=Δx/ Δt,αν Δt=Τ, τότε Δx=λ, οπότε προκύπτει: υ=λ/T. Επειδή όμως T=1/f, όπου f η συχνότητα, η προηγούμενη σχέση παίρνει τη μορφή: υ=λ · f
Η σχέση αυτή ονομάζεται θεμελιώδης νόμος της κυματικής: Η ταχύτητα διάδοσης του κύματος σ’ ένα μέσο ισούται με το γινόμενο της συχνότητάς του επί το μήκος κύματος.
Η ταχύτητα:
- Δεν εξαρτάται από το πλάτος του κύματος.
- Εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου διάδοσης. Στο ίδιο μέσο διάδοσης τα εγκάρσια κύματα διαδίδονται με μικρότερη ταχύτητα απ’ ό,τι τα διαμήκη.
…Συνεχίζεται…