Z życia codziennego wiemy, że gdy np. wrzucimy kamień do wody, to zaobserwujemy drgania powierzchni tejże wody, które będą powodowały kolejne drgania w sąsiadujących miejscach. Fizycznym opisem tego zjawiska są fale mechaniczne, czyli rozchodzące się zaburzenia ośrodka, podczas których cząsteczki danego ośrodka drgają nie zmieniając swojego średniego położenia. Fale mechaniczne mogą przemieszczać się na duże odległości. Spotykamy się z nimi na co dzień, lecz niektórych – takich jak fale dźwiękowe – nie jesteśmy w stanie dostrzec gołym okiem. Fale mechaniczne dzielą się na fale podłużne i poprzeczne.

Fale poprzeczne

Rozważmy zbiór wahadeł połączonych sprężynami jak na rysunku poniżej (Rys. 1.).

Rys. 1.

Każde wahadło składa się z ciężarka. Poruszając wybrany ciężarek prostopadle do linii łączącej sąsiednie wahadła zaobserwujemy ruch pozostałych ciężarków. Kolejne etapy ruchu układu ciężarków widziane z góry przedstawiono na rysunku poniżej (Rys. 2.).

Rys. 2.

Wychylając skrajny ciężarek jednokrotnie z położenia równowagi obserwujemy, że ten za pośrednictwem sprężyny ciągnie za sobą drugi ciężarek. Następuje to jednak z pewnym opóźnieniem, co jest spowodowane bezwładnością ciężarków. W momencie gdy drugi z nich znajdzie się w skrajnym położeniu, pierwszy zdąży wrócić do położenia równowagi. Analogicznie drugi ciężarek pociągnie za sobą trzeci, trzeci ciężarek pociągnie czwarty itd. Obserwujemy tu impuls falowy – przemieszczające się w układzie pojedyncze zaburzenie.

Trochę inny efekt uzyskamy poruszając pierwszym ciężarkiem wielokrotnie, ruchem harmonicznym. Obserwujemy wówczas przekazywanie drgań między sąsiadującymi ciężarkami. Wszystkie ciężarki wykonują ruch harmoniczny i drgają z taką samą częstotliwością, ale mają różne fazy. Oznacza to, że w tym samym momencie mają różne położenia: gdy jeden z nich wychyla się z położenia równowagi, drugi do niego wraca. Obserwowane zjawisko nazywamy falą harmoniczną. Ciężarki drgały prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Tak wyglądającą falę nazywamy więc falą poprzeczną – jest to fala mechaniczna, w przypadku której kierunek drgań cząsteczek ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali (czyli np. cząsteczki ośrodka drgają w kierunku pionowym, a fala rozchodzi się w kierunku poziomym).

Fale podłużne

Ponownie rozważmy zbiór wahadeł połączonych sprężynami. Tym razem jednak rozpatrzymy przypadek, gdy pierwszy z ciężarków wprawimy w ruch równolegle do linii łączącej kolejne wahadła. Impuls falowy przemieszcza się dzięki temu, że sąsiednie ciężarki popychają się wzajemnie. Obserwujemy tutaj falę podłużną – falę, w której kierunek drgań cząsteczek ośrodka jest równoległy do kierunku rozchodzenia się fali. Kolejne etapy rozchodzenia się takiej fali widać na ilustracji poniżej (Rys. 3.).

Rys. 3.

Porównanie fali poprzecznej i podłużnej

Fale poprzeczne i podłużne można zobrazować z wykorzystaniem długiej sprężyny. Przedstawiono je na Rys. 4 (fala poprzeczna znajduje się w górnej części rysunku, fala podłużna w dolnej części rysunku).

Rys. 4.

Zdarzają się sytuacje, gdy cząsteczki ośrodka drgają jednocześnie równolegle i prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Możemy doświadczyć tego osobiście wybierając się na rejs łódką. Fale poprzeczne na wodzie powodują kołysanie się łódki w górę i w dół, z kolei fale podłużne odpowiadają za ruch łódki w płaszczyźnie lustra wody. Mamy wówczas do czynienia ze złożeniem fali poprzecznej i podłużnej.

Fale mechaniczne w ciele stałym

Rozważmy sytuację jak na rysunku poniżej (Rys. 5.).

Rys. 5.

Unieruchomiony metalowy pręt wygięto pod kątem prostym. Na sznurku zawieszamy kulkę w taki sposób, by dotykała ona jednego z końców pręta. Następnie w drugi koniec pręta (od góry) uderzamy młotkiem. Obserwujemy, że kulka odskakuje nieco od końca pręta, którego wcześniej dotykała.

Mamy tu do czynienia z rozchodzeniem się fali mechanicznej w pręcie. Tym razem jednak funkcje ciężarków (z Rys. 1. – 3.) pełnią atomy materiału pręta, rolę sprężynek pełnią natomiast oddziaływania między tymi atomami. Atomy zbliżają się do siebie i oddalają powodując przemieszczanie się fali wewnątrz pręta, od jego końca, w który uderzono młotkiem, aż do drugiego końca. Kulka odbiera te drgania i tym sposobem zostaje wprawiona w ruch. Zagięcie pręta sprawiło, że zmienił się kierunek rozchodzenia się fali wewnątrz niego.

Sprężystość ośrodka

Fale mechaniczne rozchodzą się tylko w określonych ośrodkach, które nazywamy sprężystymi. Zachodzą jednak pewne różnice dla rozchodzenia się fal w ciałach stałych i płynach (ciecze i gazy to płyny).  W ciałach stałych atomy są ciasno upakowane, a oddziaływania między nimi są silne. Gdy wprawimy taki atom w ruch, z łatwością przekaże on swoją energię kolejnym atomom, także wprawiając je w ruch (Rys. 6.).

Rys. 6.

Dlatego w sprężystych ciałach stałych mogą rozchodzić się zarówno fale poprzeczne jak i podłużne. W cieczach i gazach atomy nie są położone tak blisko siebie, a oddziaływania między nimi są słabsze. W związku z tym atomy mogą przemieszczać się niezależnie od siebie.  Ponadto sprężystość płynów jest ściśle powiązana ze zmianami gęstości, czyli z rozprężaniem i sprężaniem. W ich wnętrzu możemy zatem zaobserwować jedynie występowanie fal podłużnych.

Prędkość i energia fali

Zaburzenia ośrodka rozchodzą się w nim z określoną prędkością, którą nazywamy prędkością fali. Prędkość ta jest skończona. Jej wartości mogą być bardzo różne – rejestrujemy fale o prędkości od kilkudziesięciu centymetrów na sekundę do nawet kilku kilometrów na sekundę.

Fala jest także nośnikiem energii. Aby wzbudzić falę potrzebne jest jej źródło. Wykonując nad nim pracę, wprawiamy je w ruch. To zaś przekazuje swoje drgania sąsiednim cząsteczkom ośrodka. W ten sposób w danym ośrodku tworzy się fala mechaniczna.

Właściwości fal mechanicznych

Wszystkie fale mechaniczne wykazują następujące cechy:

1. Fale rozchodzą się w ośrodkach sprężystych.

2. Cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala nie przemieszczają się, lecz drgają wokół swojego średniego położenia.

3. Fala przenosi energię.

4. Prędkość fali jest określona i skończona.

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-ruch-harmoniczny-fale-mechaniczne