Fala – definicja. Rodzaje fal

Fale morskie, fale tsunami czy fale na włosach. Pewnie każdy z Was spotkał się z pojęciem fali. A to oznacza, że Dawid Podsiadło w piosence Nie ma fal  po prostu się mylił ;) Fale były, są i będą. Ale czym jest właściwie fala i jaki jest mechanizm jej powstawania? Jakie rodzaje fal wyróżniamy i czym one się od siebie różną? Aby uzyskać odpowiedź na w/w pytania, koniecznie przeczytaj dalszą część tego artykułu.

Fala – definicja

Fala przenosi informację i energię z jednego punktu ośrodka (lub przestrzeni) do drugiego mimo iż żaden obiekt materialny (np. cząstki, atomy) nie przemieszcza się pomiędzy tymi punktami (zgodnie z mechaniką kwantową materia wykazuje także właściwości falowe, jednak tym zagadnieniem nie będziemy się tu zajmować). W związku z powyższym możemy wyobrazić sobie falę jako energię wypełniającą pewien obszar w przestrzeni.

Fale mechaniczne i elektromagnetyczne

Ze względu na sposób rozchodzenia (rozprzestrzeniania się) fali, wyróżniamy:

• fale mechaniczne – fale, które napotykamy (i zarazem doświadczamy) każdego dnia. Do fal mechanicznych zaliczamy m.in. fale dźwiękowe (akustyczne), fale morskie czy fale sejsmiczne tj. fale rozchodzące się w Ziemi. Cechą charakterystyczną fal mechanicznych jest to, że mogą one istnieć tylko i wyłącznie w jakimś ośrodku materialnym, w którym atomy lub cząsteczki są zdolne do wykonywania drgań (woda, powietrze, struna, lina itp.). Fala mechaniczna jest więc falą rozchodząca się w ośrodkach sprężystych wskutek propagacji (rozprzestrzeniania się) drgań ośrodka, odbywających się wokół położenia równowagi. Prędkość fal mechanicznych rozchodzących się w danym ośrodku zależy ściśle od jego właściwości fizycznych, a konkretnie od masy oraz właściwości sprężystych danego ośrodka.
• fale elektromagnetyczne (EM) – mniej znany rodzaj fal, których podobnie jak fal mechanicznych, doświadczamy codziennie. Do fal elektromagnetycznych zaliczamy m.in. światło widzialne, fale telewizyjne i radiowe, promieniowanie gamma i rentgenowskie czy mikrofale. W przeciwieństwie do fal mechanicznych, fale elektromagnetyczne nie potrzebują żadnego ośrodka materialnego, aby mogły w nim istnieć i rozprzestrzeniać się – fale te mogą rozchodzić się nawet w próżni. Falę elektromagnetyczną należy traktować jako zaburzenie pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni. Pole elektromagnetyczne, jak sama nazwa wskazuje, składa się z, powiązanych ze sobą, pola elektrycznego i magnetycznego. Pola te są zmienne w czasie i ulegają zjawisku wzajemnej indukcji tj. zmienne pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, które z kolei powoduje powstanie zmiennego pola elektrycznego itd. Prędkość fal elektromagnetycznych (pomimo, że jest dużo, dużo większa w porównaniu z prędkością fal mechanicznych) podlega pewnym ograniczeniom. Wszystkie fale elektromagnetyczne mogą poruszać się z pewną maksymalną prędkością c  równą:

  $$c = 299 \hspace{.08cm} 792 \hspace{.08cm} 458 \hspace{.07cm} \tfrac{\textrm{m}}{\textrm{s}}$$

  c  to prędkość, z jaką fale elektromagnetyczne poruszają się w próżni.

Fale podłużne i poprzeczne

Ze względu na kierunek rozchodzenia się fal, wyróżniamy:

• fale podłużne – fale, w których kierunek drgań jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali (drgania zachodzą równolegle do kierunku propagacji fali). Przykładem fali podłużnej jest fala dźwiękowa.



• fale poprzeczne – fale, w których kierunek drgań jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Przykładem fali poprzecznej jest fala elektromagnetyczna oraz fala rozchodząca się w linie.

Fale podłużne i poprzeczne nazywane są również falami biegnącymi, ponieważ przemieszczają się z jednego punktu do drugiego.

Możliwa jest także sytuacja pośrednia tj. sytuacja kiedy drgania odbywają się zarówno równolegle, jak i prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Przykład: fale na wodzie.