13.1 Tegundir bylgna

Í lok þessa kafla munt þú geta gert eftirfarandi:

• Skilgreint vélrænar bylgjur og miðil og tengt þetta tvennt saman.
• Greint púlsbylgju frá lotubundinni bylgju.
• Greint langsbylgju frá þverbylgju og gefið dæmi um slíkar bylgjur.

Lykilhugtök

• bylgja
• miðill
• vélræn bylgja
• púlsbylgja
• lotubundin bylgja
• þverbylgja
• langsbylgja

Stuðningur við kennara

Hæfniviðmiðin í þessum kafla hjálpa nemendum að ná tökum á eftirfarandi stöðlum:

• (7) Vísindahugtök. Nemandinn þekkir einkenni og hegðun bylgna.
• (A) Nemandinn rannsakar og lýsir sveifluhreyfingu og útbreiðslu bylgna í mismunandi tegundum miðla.

Hvað eigum við við þegar við segjum að eitthvað sé bylgja? Bylgja er truflun sem ferðast eða breiðist út frá staðnum þar sem hún varð til. Bylgjur flytja orku frá einum stað til annars, en þær flytja ekki endilega massa. Ljós, hljóð og hafbylgjur eru algeng dæmi um bylgjur. Hljóðbylgjur og vatnsbylgjur eru vélrænar bylgjur; það merkir að þær þurfa miðil til að berast. Miðillinn getur verið fast efni, vökvi eða gas og hraði bylgjunnar fer eftir efniseiginleikum miðilsins sem hún ferðast í gegnum. Ljós er hins vegar ekki vélræn bylgja; það getur ferðast um tómarúm, til dæmis tóma hluta geimsins.

Kunnugleg bylgja sem auðvelt er að sjá fyrir sér er vatnsbylgja. Í vatnsbylgju er truflunin á yfirborði vatnsins, til dæmis truflunin sem myndast þegar steini er kastað í tjörn eða þegar sundmaður skvettir ítrekað á vatnsyfirborðið. Í hljóðbylgju stafar truflunin af breytingu á loftþrýstingi, til dæmis þegar sveiflandi keila inni í hátalara myndar truflun. Í jarðskjálftum koma fyrir nokkrar tegundir truflana, meðal annars truflun á yfirborði jarðar sjálfrar og þrýstingstruflanir undir yfirborðinu. Jafnvel útvarpsbylgjur er auðveldast að skilja með samlíkingu við vatnsbylgjur. Þar sem vatnsbylgjur eru algengar og sýnilegar getur það hjálpað við nám um aðrar tegundir bylgna að sjá vatnsbylgjur fyrir sér, sérstaklega þær bylgjur sem eru ekki sýnilegar.

Vatnsbylgjur hafa eiginleika sem eru sameiginlegir öllum bylgjum, svo sem útslag, sveiflutíma, tíðni og orku. Fjallað verður um þessa eiginleika í næsta kafla.

Stuðningur við kennara

Margir halda að vatnsbylgjur ýti vatni úr einni átt í aðra. Í raun hafa vatnsagnirnar þó tilhneigingu til að halda sig á sama stað, fyrir utan að hreyfast upp og niður vegna orkunnar í bylgjunni. Orkan færist áfram í gegnum vatnið, en vatnsagnirnar halda sig að mestu á sama stað. Ef þú finnur fyrir því að þér sé ýtt í hafinu finnurðu orku bylgjunnar, ekki vatnsflæði. Ef þú setur kork í vatn þar sem eru bylgjur sérðu að vatnið hreyfir hann að mestu leyti upp og niður.

[BL] [OL] [AL] Biddu nemendur að nefna dæmi um vélrænar og óvélrænar bylgjur.

Ef þú lætur smástein falla í vatn myndast ef til vill aðeins fáar bylgjur áður en truflunin deyr út, en í öldulaug eru bylgjurnar samfelldar. Púlsbylgja er skyndileg truflun þar sem aðeins ein bylgja eða fáar bylgjur myndast, eins og í dæminu um smásteininn. Þrumur og sprengingar mynda einnig púlsbylgjur. Lotubundin bylgja endurtekur sömu sveiflu í nokkrar lotur, eins og í öldulaug, og tengist einfaldri sveifluhreyfingu. Í lotubundinni bylgju upplifir hver ögn í miðlinum einfalda sveifluhreyfingu með því að hreyfast lotubundið fram og til baka um sömu stöður.

Stuðningur við kennara

[BL] Hvers konar bylgja sem er, hvort sem hún er vélræn eða óvélræn, þverbylgja eða langsbylgja, getur verið púlsbylgja eða lotubundin bylgja.

Skoðum einfölduðu vatnsbylgjuna á mynd 13.2. Þessi bylgja er upp og niður truflun á vatnsyfirborðinu og einkennist af sínusbylgjumynstri. Efsta staðan kallast öldutoppur og sú lægsta öldudalur. Bylgjan veldur því að mávur hreyfist upp og niður í einfaldri sveifluhreyfingu þegar öldutoppar og öldudalir fara undir fuglinn.

Vélrænar bylgjur eru flokkaðar eftir tegund hreyfingar og falla í annan tveggja flokka: þverbylgjur eða langsbylgjur. Athugið að bæði þverbylgjur og langsbylgjur geta verið lotubundnar. Þverbylgja breiðist út þannig að truflunin er hornrétt á útbreiðslustefnuna. Dæmi um þverbylgju er sýnt á mynd 13.3, þar sem kona hreyfir leikfangagorm upp og niður og myndar bylgjur sem breiðast lárétt frá henni á meðan truflunin í gorminum er lóðrétt.

Í langsbylgju er truflunin hins vegar samsíða útbreiðslustefnunni. Mynd 13.4 sýnir dæmi um langsbylgju, þar sem konan myndar truflun í lárétta stefnu, sömu stefnu og bylgjan breiðist út í, með því að teygja og þjappa leikfangagorminum.

Langsbylgjur eru stundum kallaðar þrýstibylgjur eða samþjöppunarbylgjur og þverbylgjur eru stundum kallaðar klippibylgjur.

Stuðningur við kennara

Hægt er að sýna þverbylgjur og langsbylgjur í kennslustund með gormi eða leikfangagormi, eins og sýnt er á myndunum.

Bylgjur geta verið þverbylgjur, langsbylgjur eða blanda af hvoru tveggja. Bylgjur á strengjum hljóðfæra eru þverbylgjur, eins og sýnt er á mynd 13.5, og það sama gildir um rafsegulbylgjur, til dæmis sýnilegt ljós. Hljóðbylgjur í lofti og vatni eru langsbylgjur. Truflanir þeirra eru lotubundnar þrýstingsbreytingar sem berast í vökvum og lofttegundum.

Hljóð í föstum efnum getur verið bæði langsbylgjur og þverbylgjur. Í grunninn eru vatnsbylgjur einnig blanda af þverbylgju- og langsbylgjuþáttum, þó að einfaldaða vatnsbylgjan á mynd 13.2 sýni ekki langsbylgjuhreyfingu fuglsins.

Jarðskjálftabylgjur undir yfirborði jarðar hafa einnig bæði langsbylgju- og þverbylgjuþætti. Langsbylgjurnar í jarðskjálfta eru kallaðar þrýstibylgjur eða P-bylgjur og þverbylgjurnar eru kallaðar klippibylgjur eða S-bylgjur. Þessir þættir hafa mikilvæga eiginleika hver fyrir sig; til dæmis breiðast þeir út með mismunandi hraða. Jarðskjálftar hafa einnig yfirborðsbylgjur sem líkjast yfirborðsbylgjum á vatni.

Stuðningur við kennara

Orka breiðist út á mismunandi hátt í þverbylgjum og langsbylgjum. Til að skilja hvernig orkan getur haft áhrif á efni í kringum sig er mikilvægt að þekkja tegund bylgjunnar sem hún breiðist út í.

Kynning á bylgjum

Þetta myndband útskýrir útbreiðslu bylgna út frá skriðþunga með dæmi um bylgju sem hreyfist eftir reipi. Það fjallar einnig um muninn á þverbylgjum og langsbylgjum og muninn á púlsbylgjum og lotubundnum bylgjum.

Horfðu á eðlisfræði: Kynning á bylgjum. Þetta myndband er kynning á þverbylgjum og langsbylgjum.

Spurning 1. Í hljóðbylgju sem er langsbylgja minnkar eðlismassi sameinda í stutta stund eftir að þrýstibylgja fer í gegnum svæði. Hvers vegna?

1. Eftir þrýstibylgju hreyfast sumar sameindir tímabundið áfram.
2. Eftir þrýstibylgju hreyfast sumar sameindir tímabundið aftur á bak.
3. Eftir þrýstibylgju hreyfast sumar sameindir tímabundið upp.
4. Eftir þrýstibylgju hreyfast sumar sameindir tímabundið niður.

Eðlisfræði brimbrettabruns

Margir hafa gaman af brimbrettabruni í hafinu. Sumum brimbrettaköppum finnst því stærri sem bylgjan er, því betra. Á einu svæði undan strönd mið-Kaliforníu geta bylgjur náð allt að 50 feta hæð á ákveðnum tímum ársins (mynd 13.6).

Hvernig ná bylgjur svona mikilli hæð? Fyrir utan óvenjulegar orsakir, til dæmis þegar jarðskjálftar mynda flóðbylgjur, verða flestar risabylgjur einfaldlega til vegna samverkunar vinds og vatnsyfirborðs. Vindurinn ýtir á vatnsyfirborðið og flytur orku til vatnsins í leiðinni. Því sterkari sem vindurinn er, þeim mun meiri orka flyst. Þegar bylgjur byrja að myndast kemst stærra yfirborðsflatarmál í snertingu við vindinn og enn meiri orka flyst frá vindinum til vatnsins, sem myndar hærri bylgjur. Öflugir stormar skapa hraðasta vindinn og þyrla upp gríðarstórum bylgjum sem ferðast út frá upptökum stormsins. Langvinnari stormar og stormar sem hafa áhrif á stærra hafsvæði skapa stærstu bylgjurnar, þar sem þeir flytja meiri orku. Hringrás sjávarfalla vegna þyngdarkrafts tunglsins á einnig lítinn þátt í myndun bylgna.

Raunverulegar hafbylgjur eru flóknari en einfaldaða líkanið af einfaldri þverbylgju með fullkominni sínuslögun. Hafbylgjur eru dæmi um framsæknar bylgjur með hringhreyfingu, þar sem vatnsagnir við yfirborðið fylgja hringlaga ferli frá öldutoppi niður í öldudal bylgjunnar sem fer hjá og fara síðan aftur í upphaflega stöðu sína. Þessi hringrás endurtekur sig með hverri bylgju sem fer hjá.

Þegar bylgjur ná landi minnkar vatnsdýpið og orka bylgjunnar þjappast saman í minna rúmmál. Þetta myndar hærri bylgjur, áhrif sem kallast grynning.

Þar sem vatnsagnirnar við yfirborðið hreyfast frá öldutoppi í öldudal fá brimbrettakappar far með vatninu sem steypist niður og renna eftir yfirborðinu. Ef hafbylgjur virkuðu nákvæmlega eins og einfaldaðar þverbylgjur væri brimbrettabrun mun minna spennandi, því það fælist einfaldlega í því að standa á bretti sem hreyfðist upp og niður á staðnum, rétt eins og mávurinn á fyrri myndinni.

Frekari upplýsingar og skýringarmyndir um vísindalegu lögmálin að baki brimbrettabruni má finna í myndbandinu „Using Science to Surf Better!“.

Spurning 2. Ef við byggjum í hliðarheimi þar sem hafbylgjur væru langsbylgjur, hvernig liti hreyfing brimbrettakappa út?

1. Brimbrettakappinn myndi hreyfast til hliðar og fram og til baka lóðrétt án láréttrar hreyfingar.
2. Brimbrettakappinn myndi hreyfast fram og aftur lárétt án lóðréttrar hreyfingar.

Stuðningur við kennara

Notaðu þessar spurningar til að meta hvort nemendur hafi náð hæfniviðmiðum kaflans. Ef nemendur eiga í erfiðleikum með tiltekið markmið hjálpa spurningarnar til við að greina það og vísa þeim að viðeigandi efni.

Spurning 3. Hvað er bylgja?

1. Bylgja er kraftur sem breiðist út frá staðnum þar sem hún varð til.
2. Bylgja er truflun sem breiðist út frá staðnum þar sem hún varð til.
3. Bylgja er efni sem gefur hlut rúmmál.
4. Bylgja er efni sem gefur hlut massa.

Spurning 4. Þurfa allar bylgjur miðil til að ferðast? Útskýrðu.

1. Nei, rafsegulbylgjur þurfa engan miðil til að breiðast út.
2. Nei, vélrænar bylgjur þurfa engan miðil til að breiðast út.
3. Já, bæði vélrænar bylgjur og rafsegulbylgjur þurfa miðil til að breiðast út.
4. Já, allar þverbylgjur þurfa miðil til að ferðast.

Spurning 5. Hvað er púlsbylgja?

1. Púlsbylgja er skyndileg truflun þar sem aðeins ein bylgja myndast.
2. Púlsbylgja er skyndileg truflun þar sem aðeins ein bylgja eða fáar bylgjur myndast.
3. Púlsbylgja er hægfara truflun þar sem aðeins ein bylgja eða fáar bylgjur myndast.
4. Púlsbylgja er hægfara truflun þar sem aðeins ein bylgja myndast.

Spurning 6. Er eftirfarandi staðhæfing sönn eða ósönn? Smásteinn sem er látinn falla í vatn er dæmi um púlsbylgju.

1. Ósönn
2. Sönn

Spurning 7. Hverjir eru flokkar vélrænna bylgna eftir tegund hreyfingar?

1. Bæði þverbylgjur og langsbylgjur
2. Aðeins langsbylgjur
3. Aðeins þverbylgjur
4. Aðeins yfirborðsbylgjur

Spurning 8. Í hvaða stefnu sveiflast agnir miðilsins í þverbylgju?

1. Hornrétt á útbreiðslustefnu þverbylgjunnar
2. Samsíða útbreiðslustefnu þverbylgjunnar