Mehāniskās svārstības un viļņi.

Viļņu interference:

Viļņu pārklāšanos vidē sauc par interferenci. Pārklājoties diviem vai vairākiem viļņiem, summējas to svārstību amplitūdas (sk. 1. att.), tādēļ kopējā svārstību amplitūda var būt gan mazāka (1. att. a), gan lielāka (1. att. b) par atsevišķo viļņu svārstību amplitūdām. Skaties video no macibuvideo.lv par difrakciju (noder arī zināšanu nostiprināšanai par interferenci)!

1.att. Pārklājoties diviem viļņiem, vides daļiņu svārstību amplitūda var gan samazināties (a), gan pieaugt (b)

Par koherentiem viļņiem sauc tādus viļņus, kuri pārklājoties veido laikā nemainīgu interferences ainu. Koherentiem viļņiem:

a) jābūt ar vienādu viļņu garumu,

b) jāsaglabājas fāžu starpībai.

Ja viļņu avoti rada koherentus viļņus, tad tos sauc par koherentiem viļņu avotiem. 2. attēlā redzama interferences aina, kas veidojas, pārklājoties divu koherentu avotu radītajiem viļņiem. Ar gaišāku un tumšāku krāsu ir atzīmēti svārstību amplitūdas maksimumi un minimumi.

2.att. Interferences aina, kas veidojas, pārklājoties divu koherentu avotu radītajiem viļņiem

3. attēlā a) redzams, ka punktā M pārklājās divu koherentu viļņu avotu veidoti viļņi. Attālums no pirmā viļņu avota līdz punktam M ir d1 , bet attālums no otrā avota – d2. Fāžu starpību punktā M noteiks starpība |d2-d1|, ko sauc par gājuma starpību d. Svārstību amplitūda pārklāšanās punktā būs vislielākā, ja gājuma starpība vienāda ar pāra skaitu pusviļņu garumu (2λ/2, 4λ/2,6λ/2 ...), jo tad abi viļņi ir fāzē.  Savukārt, ja d vienāds ar nepāra skaitu pusviļņu garumu (λ/2, 3λ/2. 5λ/2 ...) , tad amplitūda ir minimālā (sk. 3. att. b). Citos punktos, kuros neizpildās kāds no abiem iepriekš minētājiem nosacījumiem, amplitūda ir robežās starp maksimālo un minimālo.

3.att. Gājuma starpība nosaka, kāda būs svārstību amplitūda viļņu pārklāšanās punktā 

Arī skaņas viļņi ir pakļauti interferences parādībai. Šo faktu izmanto, piemēram, automašīnu izpūtējos (sk. 4. att. a), kur speciāli izveidotā nodalījumā (sk. 4. att. b) punktā A izplūdes gāzes tiek sadalītas divās daļās. Plūsmas tiek sadalītas tā, lai, satiekoties punktā B, izpildītos interferences minimuma nosacījums un skaņa tiktu slāpēta.

4.att. Automašīnu izpūtējos izmanto interferences parādību, lai padarītu tos klusākus

Izmēģini animāciju par viļņu summēšanu!

Viļņu difrakcija

Ja vilnis savā ceļā sastop šķērsli, tad atkarībā no šķēršļa izmēra un viļņa garuma tas vairāk vai mazāk apliecas ap šķērsli. To sauc par viļņu difrakciju. Ja šķēršļa izmēri ir daudz lielāki par viļņa garumu λ, tad apliekšanās ir neliela (sk. 5. att. a), bet ja viļņu garums ir aptuveni tāds pats kā šķēršļa izmērs, tad apliekšanās ir ievērojami liela (sk. 5. att. b).

 5.att. Viļņu difrakciju nosaka viļņu garums un šķēršļa izmēri

Difrakciju var novērot ūdens viļņiem, kad tie virzās cauri kādai spraugai, kuras platums salīdzināms ar ūdens viļņu garumu (sk. 6. att.).

6.att. Ūdens viļņu difrakcija

Apskaties difrakciju darbībā!

Doplera efekts:

Ja kādreiz iznāk stāvēt ceļa malā brīdī, kad garām pabrauc operatīvais transporta līdzeklis ar ieslēgtu sirēnu, tad var dzirdēt, ka, pabraucot garām, mainās sirēnas skaņas augstums. Šī parādība ir izskaidrojama ar Doplera efektu. Par Doplera efektu sauc avota izstarotā viļņa garuma un novērotāja uztvertā viļņu garuma atšķirības, kas rodas avota un novērotāja savstarpējās kustības dēļ. 7. attēlā redzams: ja avots kustas virzienā uz novērotāju, tad uztvertā viļņa garums ir mazāks nekā tad, ja avots kustas prom no novērotāja. Šis efekts ir spēkā arī tad, ja kustas novērotājs.

7.att. Doplera efekts

Doplera efektu var izmantot medicīnā, lai noteiktu asins plūsmas ātrumu. Šādam nolūkam tiek izmantota ultraskaņa, ko laiž virsū asinsvadiem. Ultraskaņa atstarojas no asinīs esošajiem sarkanajiem asinsķermenīšiem, bet, tā kā sarkanie asinsķermenīši kustas līdzi asinīm, tad Doplera efekta dēļ atstarotā skaņa ir ar lielāku viļņa garumu. Nosakot, cik liela ir starpība starp sākotnējās un atstarotās ultraskaņas viļņu garumiem, var aprēķināt asinsķermenīšu un līdz ar to arī asins plūsmas ātrumu (sk. 8. att.).

8.att. Doplera efektu izmanto, lai noteiktu asins ātrumu asinsvados

Apskati Doplera efekta animāciju!

Skolotājs fizikas stundā, runādams par skaņas viļņiem, noslēpjas aiz galda. Skolēni skolotāju vairs neredz, bet vēl aizvien dzird, ko skolotājs saka. Kādēļ tā?

Galda materiāls laiž cauri skaņu, bet ne gaismu
Skaņa atstarojas no apkārtējiem objektiem, bet gaisma nē
Gaismas viļņu garums ir daudz mazāks par skaņas viļņu garumu
Visi iepriekš minētie apgalvojumi ir pareizi