Cum definim o unda si care sunt comportamentele acesteia?

Ce este o unda? Unda este o perturbare care transfera energie printr-un mediu. In timp ce perturbarea (si energia pe care o transporta) se deplaseaza prin mediu, materia nu experimenteaza o miscare neta. In schimb, fiecare particula din mediu vibreaza in jurul unei pozitii medii, pe masura ce trece unda. Comportamentul multor fenomene fizice poate fi descris ca un comportament de unda. Perturbarile in franghii, arcuri si apa sunt usor de recunoscut ca unde in care energia se misca prin mediu. Desi nu putem vedea undele radio, acestea sunt de asemenea unde adevarate. De obicei ne gandim ca undele radio calatoresc prin aer, insa acestea pot calatori prin apa, otel, sau o varietate de alte materiale. Toate aceste unde calatoresc prin materie si se numesc unde mecanice.

Undele electromagnetice transmit energie la fel ca undele mecanice. Cu toate acestea, undele electromagnetice nu au nevoie de un mediu, ci pot calatori printr-un vid. Toate formele de unde electromagnetice, de la undele radio lungi, lumina vizibila, pana la razele gamma cu lungimi de unda foarte scurte, calatoresc cu aceeasi viteza printr-un vid (3 x 10 la puterea 8 m/s). Ati putea spune ca viteza unei unde electromagnetice este aceeasi in absenta unui mediu. Totusi, atunci cand calatoresc intr-un mediu, diferitele lungimi de unda calatoresc de fapt cu viteze diferite.

Difractia si suprapunerea

Raspandirea undelor, atunci cand acestea trec prin deschizaturi sau margini ale obstacolelor, se numeste difractie. Toate undele pot fi difractate, dar efectele sunt mai vizibile in cazul undelor lungi, cum ar fi undele sonore si cele radio. Cantitatea de raspandire, dupa ce unda a trecut prin gol, depinde de marimea relativa a golului si de lungimea de unda:
• Pentru un gol care este suficient de larg pentru mai multe lungimi de unda, nu are loc nicio raspandire detectabila.
• Apare putina raspandire cand undele trec prinr-un gol care este larg de cateva lungimi de unda.
• Cantitatea maxima de raspandire corespunde unui gol care are aceeasi marime ca si lungimea de unda.
Difractia explica de ce difuzarile de unde radio cu lungime de unda lunga pot fi detectate in umbrele dealurilor si cladiri, insa cele cu lungime de unda scurta nu pot fi detectate.

Suprapunerea unei unde are loc atunci cand se incruciseaza doua sau mai multe unde. Acest lucru se intampla tot timpul insa efectele sale dureaza atat de putin, incat rareori le observam. Unul dintre efectele suprapunerii pe care le putem observa cel mai usor este interferenta cu doua surse. Aceasta poate fi demonstrata cu unde sonore, unde de lumina, valuri de apa de suprafata si unde electromagnetice de 3 cm. Daca un observator se plimba de-a lungul unei linii paralele cu doua difuzoare care vibreaza o faza, acesta va observa ca:
• Exista regiuni unde sunetul se aude mult mai tare decat de la un singur difuzor;
• Exista regiuni unde sunetul abia se aude;
• Intre acestea, intensitatea sunetului variaza de la tare la incet.
Acest lucru este explicat de principiul superpozitiei, care descrie cum doua unde se pot consolida reciproc sau se pot anula una pe alta.

Diferenta de faza

Toate undele au o faza sau un punct pe un ciclu repetabil. Doua unde care se suprapun vor avea o relatie de faza una cu cealalta. Acestea pot fi in faza (in pas), in antifaza (in afara pasului) sau in orice valoare aflata intre. Daca doua surse sunt in faza, atunci, la orice punct echidistant fata de cele doua surse, undele ajung in faza. La toate celelalte puncte, exista o diferenta de ruta, de exemplu, unda de la o anumita sursa a calatorit mai departe decat unda de la o alta sursa:
• Daca undele sunt in faza, atunci are loc interferenta constructiva, rezultand intr-un sunet puternic.
• Interferenta constructiva are loc atunci cand diferenta de ruta este un numar intreg de lungimi de unda.
• Daca undele sunt in antifaza, atunci are loc interferenta distructiva, rezultand in lipsa unui sunet.
• Interferenta distructiva are loc atunci cand diferenta de ruta este de 1,5 lungimi de unda, 2,5 lungimi de unda etc.

Undele nu trebuie sa aiba aceeasi amplitudine pentru ca interferenta sa aiba loc. Efectul unei unde care are o amplitudine mai mare decat cealalta este ca interferenta distructiva nu este totala. Orice valoare a diferentei de faza intre doua surse ofera un model de interferenta care este stationar, cu conditia ca diferenta de faza sa fie constanta. Doua surse cu o diferenta de faza constanta sunt coerente. Sursele coerente trebuie sa aiba aceeasi lungime de unda si frecventa.

Suprapunerea pe o pelicula subtire

Lumina poate reflecta din partea de sus a suprafetei, sau poate trece prin si reflecta de pe stratul interior al unui strat subtire (pelicula) de ulei, detergent, petrol, aripi de fluture, pene de paun etc. Aceasta duce la o diferenta de ruta care este de doua ori grosimea peliculei. Pentru o lungime de unda de lumina data (de exemplu albastra), daca diferenta de ruta este egala cu un numar impar de jumatate de lungimi de unda, atunci culoarea dispare (in antifaza), facand ca celelalte culori sa fie mai vizibile. Grosimea peliculei subtiri se poate schimba, rezultand in modele aflate in miscare pe suprafata.

Unde stationare

O unda stationara este o unda care ramane intr-o pozitie constanta. Undele stationare sunt cauzate de suprapunerea a doua unde de aceeasi lungime de unda, care calatoresc in directii diferite. Acestea apar adeseori atunci cand o unda este reflectata la o frontiera, insa undele pot proveni din doua surse coerente diferite. Undele stationare difera de undele progresive:
• Nu exista niciun flux de energie de-a lungul unei unde stationare, desi, de multe ori, undele stationare radiaza energie;
• In fiecare bucla a unei unde stationare, toate particulele vibreaza in faza si exact in afara fazei (diferenta de faza de 180 de grade) cu particulele din buclele adiacente;
• Amplitudinea vibratiei variaza in functie de pozitia fata de bucle;
• Exista noduri in care inlocuirea este intotdeauna zero (pentru ca, atunci cand se adauga amplitudinea, rezultatul este 0);
• Exista antinoduri care sunt pozitii ce variaza intre 0 si amplitudinea maxima.
Lungimea de unda a unei unde stationare este de doua ori distanta dintre doua noduri sau antinoduri adiacente.