Fale

Fale
Fala to zaburzenie, które się rozprzestrzenia w ośrodku lub przestrzeni. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. W przypadku fal mechanicznych cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.
Przykłady fal

* fale morskie rozchodzą się jako zaburzenia poziomu wody oraz ciśnienia wody
* fale dźwiękowe rozchodzą się w powietrzu wodzie i ciałach stałych. W zależności od długości rozróżnia się dźwięki słyszalne, ultradźwięki, infradźwięki
* fale sejsmiczne rozchodzące się w Ziemi
* fale elektromagnetyczne w zależności od częstotliwości dzieli się na fale radiowe, mikrofale, światło (podczerwień, światło widzialne i ultrafiolet), promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma
* fale materii
* fale grawitacyjne

Charakterystyczne własności
Wszystkie fale wykazują następujące własności:

* odbicie – na granicy ośrodków fale zmieniają kierunek bez zmiany ośrodka
* załamanie – na granicy ośrodków fala przechodząc do drugiego ośrodka zazwyczaj zmienia kierunek swego ruchu
* dyfrakcja – zdolność do omijania przeszkód mniejszych niż długość fali, oraz powstawanie pasków dyfrakcyjnych na szczelinie albo wąskiej przeszkodzie
* interferencja – nakładanie się fal z różnych źródeł może doprowadzić do ich wzmocnienia lub wygaszenia
* rozszczepienie – załamanie fal zależne od ich długości powoduje rozkład fali na fale składowe, np. na pryzmacie
Fale poprzeczne i podłużne

Fale poprzeczne mają kierunek drgań prostopadły do kierunku rozchodzenia się – fale morskie, fale elektromagnetyczne. Fale podłużne drgają w tym samym kierunku, w którym następuje ich propagacja, np. fale dźwiękowe.




Polaryzacja fali.

Fale poprzeczne mogą być spolaryzowane, co oznacza, że drgania fali są w jednym kierunku. Fale radiowe generowane przez anteny są spolaryzowane. Większość źródeł fal świetlnych generuje fale niespolaryzowane, w których drgania w różnych kierunkach się nakładają.


Matematyczny opis fali

Matematycznie fala to rozwiązanie równania falowego. Jest to dowolna funkcja różniczkowalna spełniająca to równanie. Rozwiązania równania falowego tworzą przestrzeń liniową, która jest przestrzenią Hilberta. Jako bazę tej przestrzeni można wybrać drgania podstawowe w postaci przebiegów harmonicznych (dla prostokątnego układu współrzędnych, w wypadku innych symetrii zjawiska właściwsze stają się inne bazy, jak np. harmoniki sferyczne czy bardziej skomplikowane funkcje specjalne). Dowolne rozwiązanie równania falowego, a więc dowolną falę można przedstawić jako sumę szeregu funkcji bazowych, a więc przebiegów harmonicznych, co jest zasadą analizy harmonicznej odkrytej przez Fouriera.

Fale harmoniczne opisuje się poprzez zestaw zmiennych: częstotliwość, pulsacja, długość fali, amplituda fali, okres oraz faza.

Propagacja fali

Najprostszym rodzajem fali jest fala harmoniczna, rozchodząca się w ośrodku jednowymiarowym (np. lince).


Z prędkością grupową porusza się czoło fali, tj. granica między obszarem falującym i niezaburzonym. Z prędkością fazową porusza się punkt o danej fazie, np. punkt, gdzie wychylenie jest maksymalne.

Kształt czoła fali zależy od warunków jej wytworzenia. Może być np. płaszczyzną (fala płaska) lub stożkiem (gdy źródło fali porusza się z prędkością rzędu prędkości grupowej).


Fala uderzeniowa - cienka warstwa, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu i zmniejszenie prędkości jego ruchu, rozchodząca się szybciej niż dźwięk. Fale uderzeniowe powstają podczas silnego wybuchu, ruchu ciała z prędkością ponaddźwiękową (np. samolot).

Powstawanie fali uderzeniowej

Gdy w gazie porusza się ciało to nadaje ono cząsteczkom zderzającym się z nim dodatkową prędkość. Jeżeli prędkość tego ciała jest mniejsza od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki przekazują sobie w wyniku zderzeń prędkość, a zaburzenie to jest obserwowane jako dźwięk. Jeżeli ciało ma prędkość większą od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki nie "nadążają z przekazywaniem" energii poprzedzającym je cząsteczkom, powstaje obszar w którym gwałtownie rośnie ciśnienie oraz prędkość cząsteczek (szczególnie w jednym kierunku).

Fala uderzeniowa wybuchu jądrowego

Jeżeli fala uderzeniowa powstaje w wyniku wybuchu, może rozchodzić się jako ciąg fal uderzeniowych o wzroście i spadku ciśnienia.

Fala uderzeniowa to jeden z najważniejszych czynników niszczących wybuchu jądrowego (z wyjątkiem bomb neutronowych). Oddziałuje bezpośrednio na ludzi, przedmioty i inne w trakcie wybuchu jądrowego, wywołując burzenie budynków, przewracanie, deformowanie, rozrywanie, łamanie, porywanie sprzętu, wyrywanie drzew itp. Na ludzi działa bezpośrednio jako uderzenie, lub pośrednio jako uderzenie przez przedmioty niesione przez falę. Jej zasięg niszczycielski zależy od siły wybuchu bomby i odległości od wybuchu. Fala uderzeniowa może się odbijać, czego przykładem jest wybuch w Nagasaki (jedna podstawowa i 4 odbite), ale zależy to od ukształtowania terenu. Fala uderzeniowa wybuchu rozchodząc się promieniście zanika szybko wraz z odległością od źródła, a po osłabnięciu rozchodzi się na znaczne odległości jako fala dźwiękowa.