Fale to propagacja zakłócenia w ośrodku, który przenosi energię z jednego miejsca do drugiego. Istnieje wiele różnych rodzajów fal, w tym fale dźwiękowe, fale powierzchniowe, fale sejsmiczne oraz fale elektromagnetyczne i świetlne.
Istnieją dwa główne sposoby oscylowania ośrodka względem kierunku propagacji fali: poprzecznie i wzdłużnie. Oto przykłady obu rodzajów fal i stojącej za nimi fizyki.
Fale poprzeczne
Ruch fali poprzecznej występuje, gdy punkty w ośrodku oscylować pod kątem prostym w kierunku ruchu fali. Jeśli fala przemieszcza się od lewej do prawej, cząsteczki ośrodka będą drgać w górę iw dół w miejscu.
Przykładami fal poprzecznych są fale na sznurku lub fala wytworzona przez tłum na stadionie na balu gry (gdzie fala porusza się po stadionie, podczas gdy poszczególne osoby po prostu poruszają się w górę i w dół siedzenia).
Fale elektromagnetyczne lub fale świetlne są poprzeczny. W miarę rozchodzenia się pola elektryczne i magnetyczne oscylują prostopadle do kierunku ruchu. Fale elektromagnetyczne, w przeciwieństwie do fal mechanicznych, które wymagają medium, mogą rozchodzić się w próżni kosmicznej. W ten sposób Ziemia może odbierać światło słoneczne i światło gwiazd z miliardów lat świetlnych.
Innym przykładem fali poprzecznej jest membrana bębna po uderzeniu; membrana porusza się w górę iw dół, gdy fale przechodzą po jej powierzchni. Kiedy membrana wibruje w ten sposób, wytwarza fale dźwiękowe, które rozchodzą się w powietrzu i są podłużne, a nie poprzeczne.
Fale podłużne
Fale podłużne, zwane również fale ciśnieniowe i kompresyjne compression, oscylują równolegle do kierunku ruchu fali. Jeśli fala przemieszcza się od lewej do prawej, przemieszczenie ośrodka jest również od lewej do prawej, ale oscyluje w miejscu poprzez ściskanie i rozciąganie.
Kiedy dźwięk przemieszcza się przez medium, takie jak powietrze, powoduje kompresję (obszary o zwiększonej gęstości) i rozrzedzenie (obszary o zmniejszonej gęstości) w powietrzu. Różne rodzaje dźwięków będą miały różne wzorce kompresji i rozrzedzenia.
Przykładami fal podłużnych są fale dźwiękowe lub fale, które można stworzyć, rozciągając slinky wzdłuż podłogi i popychając je lub ciągnąc wzdłuż jej długości. Możesz również zobaczyć te fale w wodzie i innych płynach lub ziemi – ale te przykłady mogą również mieć fale poprzeczne.
Fale wody i trzęsienia ziemi
Woda i ziemia to media, które doświadczają obie poprzeczny i fale podłużne. Trzęsienia ziemi mają oba rodzaje fal, podczas gdy fale wodne mają specjalną kombinację fal poprzecznych i podłużnych, które nazywane są falami powierzchniowymi.
W sejsmologii, czyli badaniu trzęsień ziemi, istnieją dwa główne rodzaje fal: fale p i fale S. Fale P lub fale pierwotne są podłużne, gdzie ziemia ściska i rozciąga się w kierunku propagacji fali.
Fale S lub fale wtórne są poprzeczne, w których ziemia porusza się w górę iw dół podczas przemieszczania się fali. Fale pierwotne są szybsze niż fale wtórne i dlatego często są pierwszymi wykrytymi podczas trzęsienia ziemi.
W wodzie i innych płynach fale są bardziej skomplikowane. Cząsteczki wody na powierzchni będą poruszały się w górę i w dół podczas przechodzenia fali – ruch poprzeczny – ale one doświadczy również kompresji na górze fali i rozrzedzenia na dole – podłużnej ruch. W rzeczywistości, jeśli podążysz za pojedynczą cząsteczką wody na powierzchni, gdy fale przechodzą obok niej, zobaczysz, jak porusza się ona po okręgu! Są to tak zwane fale powierzchniowe.
Z dala od powierzchni wszystkie fale w płynie są podłużne, ponieważ płyny w masie nie są wystarczająco sztywne, aby przenosić energię poprzecznie. Masowe ciała stałe mogą jednak wytrzymać fale poprzeczne.