Hullám
Ahullámegyrendszerolyan állapotváltozása, amely időben és/vagy térben periodikus (vagyis szabályosan ismétlődő). A mechanikai hullámok mindig valamilyenközegbenterjednek (pl.: levegő, víz, szilárd test), szemben az elektromágneses és gravitációs hullámokkal, amikhez nem kell közeg. A hullámokenergiátszállítanak anélkül, hogy a közegben lévő részecskék tovaterjednének. Ehelyett a mechanikai hullámban a részecskék egy fix pont körülrezegnek,az elektromágneses hullámban az elektromos térerősség- illetve a mágneses térerősségvektor változik periodikusan. A hullámban tehát energia terjed, de anyag nem.
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/74/Simple_harmonic_motion_animation.gif/250px-Simple_harmonic_motion_animation.gif)
A kék pöttyharmonikus rezgőmozgástvégez, de nem halad. Ez a hullám tekinthető különbözőfázisbanharmonikus rezgőmozgást végző pontok sorának, ahol csak a hullámfront halad, de az egyes részecskék nem.
A hullámok osztályozása
[szerkesztés]A hullámokat több szempont szerint osztályozhatjuk:
- Aszerint, hogy azokban milyen természetű zavaró hatás megy végbe:
- Mechanikai hullámok:ha mechanikai állapotváltozások terjednek.
- Elektromágneses hullámok:ha elektromágneses természetű a perturbáció.
- Gravitációs hullámok:fodrozódások atéridőben,amiket gyorsuló tömegek keltenek.
- Aszerint, hogy hány dimenziós a közeg, amiben haladnak:
- Egydimenziós pl: gumikötél
- Kétdimenziós pl: vízfelszín
- Háromdimenziós pl: a levegőben
- A bennük terjedő rezgések iránya szerint:
- Transzverzális hullámok:a hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek. Ilyenek például egy húron terjedő hullámok, vagy a szabad elektromágneses hullámok.
- Longitudinális hullámok:a terjedési iránnyal párhuzamosan rezegnek. Például ilyen a hanghullám.
Közvetítő közeg
[szerkesztés]A hullámok közvetítő közegét az alábbi tulajdonságok közül jellemezhetjük valahánnyal:
- lineáris közeg,ha a különböző hullámok amplitúdói bármely pontban összeadhatóak.
- zárt közeg,ha véges méretű, egyébkéntnyílt.
- egynemű közeg,(homogén) ha fizikai tulajdonságai mindenhol ugyanazok.
- izotróp közeg,ha fizikai tulajdonságai ugyanazok minden irányban (iránytól függetlenek).
Példák hullámokra
[szerkesztés]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/04/Porto_Covo_Outubro_2014-3.jpg/250px-Porto_Covo_Outubro_2014-3.jpg)
- Óceáni felszíni hullámok, amik a víz felszínén terjedő zavarok lásd:szörfözéséscunami).
- Arádióhullámok,mikrohullámok,infravörös sugárzás,látható fény,ultraibolya sugárzás,Röntgensugárzás,ésgamma-sugárzásmindelektromágneses sugárzások.Ebben az esetben a terjedés közvetítő közeg nélkül, a vákuumon keresztül is lehetséges, ahol ezek a hullámokfénysebességgelterjednek.
- Ahangolyan longitudinális mechanikai hullám, ami a levegőben, folyadékban vagy szilárd anyagban terjed. Az emberi fül által hallható hangokat a levegő közvetíti.
- Aföldrengéshullámoka földkéregben felgyülemlett energia felszabadulásakor keletkező lökéshullámok.
- Gravitációs hullámok,amik agravitációs mezőingadozásai azáltalános relativitáselméletjóslata szerint. Ezek a hullámoknemlineárisakés először 2015-ben figyelték meg őket közvetlenül.[1]
Jellegzetes hullámtulajdonságok
[szerkesztés]Alapjelenségek
[szerkesztés]Mindenféle hullámra jellemzőek a következő alapjelenségek:[2]
- Egyenesvonalú terjedés– a hullám egyenes vonalú terjedése homogén közegben.
- Visszaverődés– a hullám irányának megváltozása a felületen – ahol a közeg tulajdonságai megváltoznak – való áthaladás nélkül.
- Törés– a hullám irányának megváltozása a felületen – ahol a közeg tulajdonságai megváltoznak – való áthaladással.
- Elhajlás– a hullámhosszhoz hasonló méretű nyíláson áthaladó hullám körkörös „irányban” való továbbterjedése, szétterjedése.
- Interferencia– két találkozó hullámszuperpozíciója,fázishelyes összeadódása (kioltás is lehetséges a helytől függően).
- Diszperzió– a több komponenst tartalmazó hullám frekvenciák szerinti szétszóródása.
Transzverzális és longitudinális hullámok
[szerkesztés]Atranszverzális hullámoka hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek. Ilyenek például egy húron terjedő hullámok, vagy a szabad elektromágneses hullámok.
Alongitudinális hullámoka terjedési iránnyal párhuzamosan rezegnek. Például ilyen a gázokban és a folyadékokban terjedő hanghullám.
Avízhullámoka longitudinális és transzverzális hullámok kombinációi, ennek következtében a felszín pontjai elliptikus pályát járnak be.
Polarizáció
[szerkesztés]A polarizáció a transzverzális hullámok jellemzője. A térben a hullám terjedésére merőlegesen két irány lehetséges, az olyan hullámcsomagot, amelyik szigorúan kiválasztott irányban rezeg csaksíkban polarizáltvagylineárisan polarizálthullámnak nevezzük. A természetes fény nem polarizált, a beérkező hullámcsomagok mindenféle polarizációjának keveréke.
Két merőleges irányú rezgés fáziseltolt összeadásával létrehozható az un.körpolarizáltvagycirkulárisan polarizáltállapot is. Ilyenek a határozottimpulzusmomentumállapotban levőfotonok(azaz nem minden foton).
A hullámok fizikai leírása
[szerkesztés]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2c/Wave-hu.png/553px-Wave-hu.png)
A hullámokat számos bevett változóval leírhatjuk, köztük olyanokkal mint afrekvencia,hullámhossz,amplitúdóésperiódusidő.Az amplitúdó a hullám maximális kitérésének nagysága egy hullámcikluson belül. A hullámfajtától függően mérhetjükméterben,mint egy húr rezgései esetén,nyomásegységben,mint hanghullámok esetén vagyelektromos térerősségegységben (volt/méter), mint azelektromágneses hullámokesetén. Az amplitúdó lehet állandó, vagy változhat a hellyel és/vagy idővel. Az amplitúdó változásának alakját a hullámburkológörbéjéneknevezzük.
A hullámhossz () a hullám két szomszédos azonos fázisú pontja - pl. egymást követő maximuma (vagy minimuma) -közötti távolság. A látható fény esetében ezt általábannanométerbenadjuk meg. A periódusidő () egy teljes hullámoszcillációhoz (például egyik maximumtól a következő maximumig) szükséges időtartam. A frekvencia () azt adja meg, hány periódusa megy végbe a hullámnak adott idő (például 1 másodperc) alatt éshertzbenmérjük. A frekvencia és a periódusidő kapcsolata a következő:
azaz más szavakkal a periódusidő és a frekvencia egymásreciprokai.A hullámok leírásakor nagyon gyakran akörfrekvenciáthasználjuk, ami a frekvenciával a következő összefüggésben áll:
- .
A körfrekvencia azt adja meg, hogy a leíráshoz használt szögváltozó (a hullámfázisa) mennyit változik egy periódusidő alatt és radián per másodpercben (rad/s) mérjük.
Haladó hullámok
[szerkesztés]Az egy helyben maradó minimumhelyű hullámokatállóhullámoknak – például a hegedűhúr rezgése – hívjuk. A térben valamerre elmozduló minimum-, és maximumhelyű hullámokathaladó hullámoknak nevezzük. Az utóbbiakat térben és időben egyaránt változó kitérések jellemzik. A haladó síkhullámot így írhatjuk le:
aholA(r,t)azamplitúdóburkológörbéje,ahullámszámésa kezdőfázis. A hullámsebességét
adja meg, aholahullámhossz.Az állóhullámok leírhatók haladó hullámokinterferenciájaként.
Terjedés egy húr mentén
[szerkesztés]Egy húr mentén terjedő longitudinális hullám sebessége () függ arugalmassági modulustól() és asűrűségtől():
A hullámegyenlet
[szerkesztés]Jegyzetek
[szerkesztés]- ↑Gravitációs hullámokat észleltek száz évvel Einstein előrejelzése után.ligo.elte.hu, 2016. február 11. (Hozzáférés: 2016. február 11.)
- ↑Hullámtani jelenségek Google Earth műholdfelvételeken aFizKapuArchiválva2007. február 19-idátummal aWayback Machine-ben honlapLetölthetőrovatában.
További információk
[szerkesztés]- Kísérletek: Rezgések, hullámok, hangtanArchiválva2004. november 6-idátummal aWayback Machine-benELTE
- Budó Á.: Kísérleti fizika I, III., Tankönyvkiadó, Bp. 1992
- Jenkins F. A., White H.E.: Fundamentals of Optics, McGraw-Hill, Auckland, 1976
- Möller K.D.: Optics, Cal Univ. Sci., Mill Valley, 1988
- Veit, Ivar. Műszaki akusztika. Műszaki könyvkiadó (1977)
- Diagram Group: Facts on File Physics Handbook. New York: Facts on File, 2006
- Magyarított Flash szimuláció a haladó hullám matematikai leírásának szemléletesítésére.Szerző: David M. Harrison
- Magyarított Flash szimuláció állóhullámokról egy kör kerülete mentén.Szerző: David M. Harrison
- Rezgések és hullámokfényképei aFizKapuportálon.
- Fizikakönyv.hu –Mechanikai hullámok