Bylgjur.

Í umhverfi okkar má finna margs konar bylgjur, bæði sem við sjáum og aðrar sem eru okkur ósýnilegar. Vatnsbylgjur sjáum við greinilega og hljóðbylgjur heyrum við. Ljós er rafsegulbylgja en margs konar rafsegulbylgjur eru til aðrar sem við greinum ekki. Allar þessar ólíku bylgjur hafa sameiginleg einkenni sem eru viðfangsefni þessa kafla.

Þverbylgjur.

Bylgjum má skipta í tvo meginflokka, þverbylgjur og langsbylgjur, eftir því hvort hreyfing efnisagnanna sem bylgjan berst um, er hornrétt eða samsíða útbreiðslustefnu bylgjunnar. Fyrst skulum við skoða þverbylgjur.

Í þverbylgju hreyfast efnisagnirnar þvert á hreyfistefnu bylgjunnar. Dæmi um slíka bylgju er bylgja í áhorfendastæðum á kappleikjum sem verður til þegar áhorfendur standa upp á setjast á víxl. Nokkur einkenni þverbylgja verða ljós þegar svona áhorfendabylgja er skoðuð:

• Upptök bylgju eru yfirleitt einhvers konar sveiflur.

Áhorfendabylgja verður til þegar hópur fólks stendur upp og sest aftur endurtekið.
Hreyfimynd af áhorfendabylgju.

• Þverbylgjan berst um agnir sem sveiflast þvert á útbreiðslustefnu bylgjunnar en agnirnar sjálfar halda sinni stöðu.

Áhorfandi sem tekur þátt í að mynda bylgju sveiflast upp og niður er hann stendur upp og sest niður á víxl, án þess að yfirgefa sætið sitt. Bylgjan sem myndast hreyfist hins vegar í lárétta stefnu eftir leikvanginum.

• Hreyfingur agna í þverbylgju er ekki í fasa við hreyfingar þeirra agna sem næstar eru.

Þeir sem sitja næst áhorfanda sem tekur þátt í bylgju standa upp aðeins á undan honum eða aðeins á eftir honum en ekki á sama tíma.

• Bylgjurnar þurfa efni til að berast um.

Þar sem áhorfendastæðin eru auð getur engin bylgja myndast.

Þverbylgju má búa til með því að sveifla einum enda gorms fram og til baka. Slíka bylgju má sjá á myndinni hér fyrir neðan.

Gormurinn hlykkjast upp og niður um einhverja jafnvægistöðu sem er sú lína sem gormurinn lá í áður en við byrjuðum að sveifla honum. Mesta færsla frá jafnvægisstöðu er kölluð sveifluvídd og er hún sú sama upp fyrir og niður fyrir jafnvægisstöðuna því gormurinn gengur jafnlangt í hvora átt.

Ein sveifla fæst fyrir færslu gormendans fram og til baka. Fyrir eina slíka sveiflu fæst ein bylgja á gorminum. Lengd einnar slíkrar bylgju kallast bylgjulengd og er hún gjarnan táknuð með l (lambda). Bylgjulengd er mæld í metrum.

Þegar bylgjan berst áfram getum við hugsað okkur að hún fari framhjá einhverjum einum ákveðnum punkti. Sá tími sem það tekur bylgjuna að fara framhjá punktinum kallast umferðartími (T). Þetta er sami tími og það tekur bylgjuna að berast áfram vegalengd sem er jöfn bylgjulengdinni. Ef umferðartími bylgju og bylgjuleng hennar eru þekkt má reikna hraða bylgjunnar með:

Í stað þess að nota umferðartímann má einnig nota tíðni bylgjunnar, f . Tíðnin er í raun fjöldi bylgja sem fer framhjá föstum punkti á tímaeiningu. Þessi stærð er tengd umferðartímanum skv.

Þá verða tengsl hraða bylgju, bylgjulengdar og tíðni:

Þessi jafna er nefnd bylgjujafnan.

Margs konar þverbylgjur má sjá í umhverfi okkar. Má þar nefna vatnsbylgjur eða gárur á vatnsfleti, sumar tegundir jarðskjálftabylgja og loks má nefna einn flokk bylgja sem ekki eru efnisbylgjur en það eru rafsegulbylgjur. Sýnilegt ljós, útvarpsbylgjur og röntgengeislar eru dæmi um rafsegulbylgjur en allar eru þær þverbylgjur.

Langsbylgjur.

Í langsbylgjum sveiflast efnisagnirnar samsíða hryfistefnu bylgjunnar. Það leiðir til þess að á sumum stöðum er bylgjan þéttari. Slíka bylgju má búa til í gormi með því að sveifla öðrum endanum í sömu stefn og gormurinn liggur.

Þetta leiðir til þess að þéttleiki efnisins sem bylgjan berst um er mismunandi og því verður þrýstingurinn í efninu mismunandi eftir því hvar í bylgjunni við erum. Langsbylgjur eru því þrýstingsbylgjur. Dæmi um slíkar bylgjur eru hljóðbylgjur og sumar gerðir jarðskjálftabylgja.

Það sem að ofan er sagt um bylgjulengdir, umferðartíma og tíðni gildir einnig um langsbylgjur. Því gildir bylgjujafnan líka um langsbylgjur.

Styrkur bylgju.

Allar bylgjur flytja orku. Styrkur bylgjunnar (intensity) er mælikvarði á aflið sem berst frá bylgjugjafa. Aflið er mælt á hverja flatarmálseiningu flatar sem er hornréttur á útbreiðslustefnu bylgjunnar. Styrkurinn verður þá aflið á hverja flatarmálseiningu eða:

Fyrir kúlusamhverfa dreifingu bylgju sem berst frá einhverjum punkti fellur styrkur bylgjunnar með fjarlægð frá uppsprettu bylgjunnar. Þá er heildarflatarmálið sem bylgjan fer gegnum yfirborð kúlu. Yfirborðið má reikna út frá radíus kúlunnar, þ.e. fjarlægðarinnar frá uppsprettu, skv.

Ef við deilum aflinu niður á þetta flatarmál fæst styrkur bylgjunnar í fjarlægðinni r frá uppsprettu:

sem gefur að styrkur bylgjunnar fellur í öfugu hlutfalli við fjarlægðina frá uppsprettu bylgjunnar í öðru veldi (the inverse-square law). Það þýðir að ef fjarlægðin er tífölduð þá verður styrkurinn aðins einn hundraðasti af því sem hann var.

Orkan og styrkurinn í bylgjunni eru einnig tengd sveifluvídd bylgjunnar. Í raun er styrkurinn í réttu hlutfalli við sveifluvíddina í öðru veldi.

sem gefur að sveifluvíddin fellur einnig með fjarlægð frá uppsprettu.

Að lokum er hér tafla með yfirlit yfir nokkrar helstu hugtök þessa kafla.