Egenskaber ved bølger

Forstil dig, at jeg står her og holder i den ene ende af et reb. Jeg er her over til venstre, og mens jeg holder i rebet bevæger jeg hurtigt min hånd op, ned og tilbage til hvor jeg startede. Hvis vi ser et øjebliksbillede af rebet umiddelbart bagefter, vil vi se noget der ligner dette. Rebet har nogle buer, der afspejler den bevægelse jeg lavede med min hånd, up, ned og tilbage til midten. Resten af rebet er stadig fladt. Du har måske set noget lignende, hvis du har sjippet og rykket tovet frem og tilbage eller leget med en slinky og set den gå op og ned. Du har måske været i fitness og set nogen bruge de store tykke reb, som de bevæger op og ned. Med tiden vil denne forstyrrelse bevæge sig langs hele rebets længde. Hvis dette er hvad vi ser, lige når jeg er færdig med at bevæge hånden, så vil vi senere se, at enden af rebet er tilbage til normalt mens buen nu er længere nede af rebet, og den vil blive ved med at bevæge sig i denne retning indtil den når rebbets ende. Dette er hvad der kaldes en bølge i fysik. En bølge er en forstyrrelse, her en bue i rebet forårsaget af min hånds bevægelse og den forstyrrelse kan udbrede sig, den kan bevæge sig i en bestemt retning. En bølge er en forstyrrelse, der kan forplante sig. Dette er et eksempel på en mekanisk bølge. Den kaldes mekanisk fordi forstyrrelsen bevæger sig gennem et medium, her rebet. Mekaniske bølger bevæger sig gennem et medium. En vigtig ting, som det er vigtigt, at forstå allerede nu om bølger, er, at bølger overfører energi uden at overføre stof. Hvilket betyder, at forstyrrelsen, der bevæger sig her, disse buer, der bevæger sig langs rebet, ikke flytter rebet til en ny position. En del af rebet går op og ned, når bølgen går i gennem, men selve rebet flytter sig ikke. Derimod er det den kinetiske energi, der kommer fra min hånd til rebet, der overføres fra partikel til partikel og bevæger sig langs rebet. Bølger overfører energi, men ikke stof. I det første eksempel rykkede jeg kun min hånd op og ned én gang, og lavede dermed en enkelt bølge, der bevægede sig langs mit reb. Hvis jeg derimod blev ved med at flytte hånden op og ned på en ensartet måde, ville vi se en bølge som denne her. Når vi laver en model af en bølge er der nogle vigtige egenskaber ved en bølge som vi skal kende. Først og fremmest er der perioden. Perioden måles i sekunder (s) og fortæller os hvor lang tid det tager for en bølge cyklus, at gentage sig selv. Dernæst er der bølgelængden. Den er målt med et længdemål som meter (m), og er afstanden mellem to ens punkter på to på hinanden følgende bølger. Til sidst er der frekvens. Hvis hele bølgen vi har tegnet her varer et sekund, og der er 4 cyklusser i det ene sekund, så har den en frekvens på 4 hertz (Hz), eller 4 cyklusser per s. Frekvensen viser, hvor mange cyklusser bølgen fuldfører for hvert sekund. Ved at bruge disse grundlæggende egenskaber ved en bølge kan vi begynde at se på nogle mere interessante fysiske egenskaber som hastighed, altså afstand per tidsperiode. Hvis vi vil vide, hvor hurtigt en bølge bevæger sig, tager vi bølgelængden, som er den afstand en bølge bevæger sig i en enkelt cyklus, og gange den med frekvensen, som er cyklusser i et sekund, i et givet tidsrum. Cyklus kan forkortes og vi har længde over tid, det samme som hastighed. Det er vores ligning for hastigheden af en bølge. Bølgelængde gange frekvens. Standard enheden for hastighed er m/s. Der er nogle faktorer,der kan påvirke hastigheden af en bølge. Den første er bølge typen. Forskellige typer af bølger bevæger sig med forskellig hastighed. Et godt eksempel på bølger, der bevæger sig med forskellige hastigheder er lyn. Har du set et lynnedslag eller været ude i tordenvejr? Du ved, det første du ser er glimtet af lynet og så hører du braget, der hører til lynet. Så lynet kommer først, og braget kommer bagefter. Disse to forskellige bølger er en del af det samme fænomen. Når lynet slår ned, så ser du glimtet først, da lys er en elektromagnetisk bølge. Den bevæger sig sig meget hurtigere end den lyd der, hører sammen med lynnedslaget. Elektromagnetiske bølger er specielle dels fordi de bevæger sig meget hurtigt, men også fordi de ikke behøver et medium at bevæge sig gennem. Braget derimod er en lydbølge, der bevæger sig langsommere end lyset. Derfor ser du lynet, før du hører braget. Forskellige bølgetyper bevæger sig med forskellige hastigheder. Den anden faktor, der kan påvirke hastigheden af en bølge, er det medium, som bølgen bevæger sig gennem. Lad os her bruge lyd som et eksempel. Når nogen snakker, så har vi her et snakkende hoved, der vibrerer partiklerne foran munden. Det er lydbølgen. Det er vibrationen af disse partikler, der forplanter sig gennem luften. Når du snakker, så udøver dine stemmebånd en kraft på partiklerne foran dig. De vibrerer frem og tilbage og danner en sammenpresning, der overføres til partiklerne. Når vibrationerne bliver forplantet, så bevæger lyden sig. Du kan forestille dig, hvis disse partikler er tæt sammen, så vil vibrationerne overføres hurtigere, fordi partiklerne støder sammen oftere end hvis de er langt fra hinanden. Lyd bevæger sig meget hurtigere gennem vand, en væske, end gennem luft af præcis den grund. Partiklerne i en væske er tættere på hinanden. Da de er tættere på hinanden, så kan de oftere støde sammen og bølgen forplanter sig hurtigere. Forskellige bølger bevæger sig med forskellig hastighed og det medium som den bevæger sig gennem påvirker ligeledes bølgens hastighed. Lad os lave en sammenfatning af denne information. Vi har bølger, en bølge, en forstyrrelse, der kan forplante sig og den har nogle egenskaber. Der er perioden eller hvor lang tid det tager at fuldføre en cyklus. Der er bølgelængde, afstanden mellem to identiske punkter på to på hinanden følgende bølger, og frekvensen, som er antallet af cyklusser i et sekund. Her har vi 2 cycklusser på et sekund, så en frekvens på 2 Hz. Bølge hastigheden udregnes ved at gange bølgelængde og frekvens Bølge hastigheden er påvirket af typen af bølgen og det medium som bølgen bevæger sig gennem. Mekaniske bølger skal altid bevæge sig gennem et medium, lyd, en slinky eller reb, bølger i havet og elektromagnetiske bølger, som lys, er specielle, fordi de kan bevæge sig gennem et vakuum. De har ikke brug for et medium for at forplante sig. Men alle bølger, uanset typen overfører energi, ikke stof.