Hullám

A hullám egy rendszer olyan állapotváltozása, amely időbeli és/vagy térben periodikus (vagyis szabályosan ismétlődő). Eltekintve az elektromágneses hullámtól (és valószínűleg a gravitációs hullámtól) a hullámok valamilyen közegben terjednek. Energiát szállítanak anélkül, hogy a közeg anyaga állandó mozgásban lenne a terjedés irányába. Ehelyett egy fix pont körül rezegnek, mozognak a közeg részecskéi, tehát energiát szállít, tömeget nem.

Egyszerű szinuszos transzverzális haladó hullám.
A kék pötty harmonikus rezgőmozgást végez, de nem halad. Ez a hullám tekinthető különböző fázisban harmonikus rezgőmozgást végző pontok sorának, ahol csak a hullámfront halad, de az egyes részecskék nem.

A hullámok osztályozása

A hullámokat több szempont szerint osztályozhatjuk:

1. Aszerint, hogy azokban milyen természetű zavaró hatás megy végbe:
   1. Mechanikai hullámok: ha mechanikai állapotváltozások terjednek.
   2. Elektromágneses hullámok: ha elektromágneses természetű a perturbáció.
2. Aszerint, hogy hány dimenziós a közeg amiben haladnak:
   1. Egydimenziós pl: gumikötél.
   2. Kétdimenziós pl: vízfelszín.
   3. Háromdimenziós pl: a levegőben.
3. A bennük terjedő rezgések iránya szerint:
   1. Transzverzális hullámok: a hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek. Ilyenek például egy húron terjedő hullámok, vagy a szabad elektromágneses hullámok.
   2. A longitudinális hullámok a terjedési iránnyal párhuzamosan rezegnek. Például ilyen a legtöbb hanghullám.

Közvetítő közeg

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, egyébként nyílt.
• egynemű közeg, ha fizikai tulajdonságai mindenhol ugyanazok.
• izotróp közeg, ha fizikai tulajdonságai ugyanazok minden irányban.

Példák hullámokra

Partnak csapódó hullám

• Óceáni felszíni hullámok, amik a víz felszínén terjedő zavarok (lásd: szörfözés és cunami).

• A rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, Röntgen-sugárzás, és gammasugárzás mind elektromágneses sugárzások. Ebben az esetben a terjedés közvetítő közeg nélkül, a vákuumon keresztül lehetséges, ahol ezek a hullámok fénysebességgel terjednek.

• Hang – mechanikus hullám, ami levegőn, folyadékon vagy szilárd anyagon keresztül terjed, amik egy részét például a fül érzékeli. Ide tartoznak a földrengések szeizmikus hullámai.

• gravitációs hullámok, amik a gravitációs mező ingadozásai az általános relativitáselmélet jóslata szerint. Ezek a hullámok nemlineárisak és még nem figyelték meg őket.

Jellegzetes hullámtulajdonságok

Alapjelenségek

Mindenféle hullámra jellemzőek a következő alapjelenségek:

• 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.
• Szórás – a hullámhosszhoz hasonló méretű nyíláson áthaladó hullám körkörös „irányban” való továbbterjedése, szétterjedése.
• Interferencia – két találkozó hullám szuperpozíciója, fázishelyes összeadódása (kioltás is lehetséges a helytől függően).
• Diszperzió – a hullám frekvenciák szerinti szétválása.

Transzverzális és longitudinális hullámok

A transzverzális hullámok a hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek. Ilyenek például egy húron terjedő hullámok, vagy a szabad elektromágneses hullámok.

A longitudinális hullámok a terjedési iránnyal párhuzamosan rezegnek. Például ilyen a legtöbb hanghullám.

A vízhullámok a longitudinális és transzverzális hullámok kombinációi, ennek következtében a felszín pontjai elliptikus pályát járnak be.

Polarizáció

A transzverzális hullámok jellemzője. A térben a terjedésre merőlegesen két irány lehetséges, az olyan hullámcsomagot, amelyik szigorúan kiválasztott irányban rezeg csak (sík)polarizált hullámnak nevezzük. A fény közönséges esetben nem polarizált, a beérkező hullámcsomagok mindenféle polarizációjának keveréke.

Létezik a kétféle irányú rezgés fáziseltolt összeadásával létrehozható körpolarizált állapot is. Ilyenek a határozott impulzusmomentum állapotban levő fotonok (azaz nem minden foton).

A hullámok fizikai leírása

A hullám jellemzői

A hullámokat számos bevett változóval leírhatjuk, köztük olyanokkal mint a frekvencia, hullámhossz, amplitúdó és periódusidő. Az amplitúdó a hullám maximális kitérésének nagysága egy hullámcikluson belül. A hullámfajtától függően mérhetjük méterben, mint egy húr rezgései esetén, nyomásegységben, mint hanghullámok esetén vagy elektromos térerősség egységben (volt/méter), mint az elektromágneses hullámok esetén. Az amplitúdó lehet állandó, vagy változhat a hellyel és/vagy idővel. Az amplitúdó változásának alakját a hullám burkológörbéjének nevezzük.

A hullámhossz (λ) a hullám két egymást követő maximuma (vagy minimuma) közötti távolság. Elektromágneses hullámok esetében ezt általában nanométerben adjuk meg. A periódusidő (T) egy teljes hullámoszcillációhoz (például egyik maximumtól a következő maximumig) szükséges időtartam. A frekvencia (f) azt adja meg, hány periódusa megy végbe a hullámnak adott idő (például 1 másodperc) alatt és hertzben mérjük. Összefüggésük a következő:

$f=\frac{1}{T}$

azaz más szavakkal a periódusidő és a frekvencia egymás reciprokai. A hullámok leírásakor nagyon gyakran a körfrekvenciát használjuk, ami a frekvenciával a következő összefüggésben áll:

$f=\frac{\omega}{2 \pi}$.

A körfrekvencia azt adja meg, hogy a leíráshoz használt szögváltozó (a hullám fázisa) mennyit változik egy periódusidő alatt és radián per másodpercben (rad/s) mérjük.

Haladó hullámok

A tömeg hullámzása haladóhullám, mert a maximumhely halad

Az egy helyben maradó maximumhelyű hullámokat állóhullámoknak – például a hegedűhúr rezgése – hívjuk. A térben valamerre elmozduló maximumhelyű hullámokat haladó hullámoknak nevezzük. Az utóbbiak térben és időben egyaránt változó kitérések jellemzik, amiket így írhatunk le:

$y=A(z,t) \cos (\omega t - kz + \phi),\,f$

ahol A (z, t) az amplitúdó burkológörbéje, k a hullámszám és φ a fázis. A hullám v sebességét

$v=\frac{\omega}{k}= \lambda f,$

adja meg, ahol λ a hullámhossz. Az állóhullámok leírhatók haladó hullámok interferenciájaként.

Terjedés egy húr mentén

A hullám sebessége (v) egy húr mentén közvetlenül arányos a mechanikai feszültség (T) és a lineáris sűrűség (ρ) hányadosával:

$v=\sqrt{\frac{T}{\rho}}.$

Ezt az egyenletet például dimenzióanalízis segítségével kaphatjuk meg.

További információk

• Kísérletek: Rezgések, hullámok, hangtan ELTE
• 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 hullámok fényképei a FizKapu portálon.