Onda

Uma onda é uma perturbação que se propaga através espaço e tempo , geralmente com transferência de energia . Enquanto uma onda mecânica existe numa médio (em que a deformação é capaz de produzir forças restauradoras elásticas), ondas de radiação electromagnética (e provavelmente radiação gravitacional) pode viajar através do vácuo, isto é, sem um suporte. Ondas viajar e transferir energia de um ponto a outro, muitas vezes com pouco ou nenhum deslocamento permanente das partículas do meio (isto é, com pouca ou nenhuma transferência de massa associado); em vez disso, há oscilações em torno de quase posições fixas.

As ondas de superfície em água

Definições

Aprovação de uma definição única e abrangente para a onda prazo não é trivial. A vibração pode ser definida como um movimento de vai-e-vem em torno de um ponto de m em torno de um valor de referência. No entanto, definir as características necessárias e suficientes que qualificam um fenômeno a ser chamado de uma onda é, pelo menos, flexível. O termo é frequentemente entendida como intuitivamente o transporte de perturbações no espaço, não está relacionado com o movimento do meio de ocupar este espaço como um todo. Em uma onda, a energia de um vibração é afastando-se da fonte, na forma de uma perturbação no seio do meio circundante (Hall, 1980: 8). No entanto, esta noção é problemático para um em pé de onda (por exemplo, uma onda em uma corda), onde a energia está se movendo em ambas as direções igualmente, ou por electromagnéticas / ondas de luz em um vácuo, onde o conceito de meio de não se aplica.

Por essas razões, a teoria da onda representa um ramo peculiar da física que está preocupado com as propriedades dos processos onda independentemente da sua origem física (Ostrovsky e Potapov, 1999). A peculiaridade reside no fato de que esta independência de origem física é acompanhada por uma forte dependência de origem ao descrever qualquer instância específica de um processo de onda. Por exemplo, acústica se distingue de óptica em que as ondas sonoras são relacionados a um mecânico em vez de uma onda eletromagnética-como transferência / transformação de vibração de energia . Conceitos como massa , dinâmica , inércia, ou elasticidade, tornam-se, portanto, crucial para descrever acústico (em oposição a óptica) processos de onda. Esta diferença de origem apresenta características determinada onda particular para as propriedades do meio envolvidos (por exemplo, no caso do ar: vórtices, pressão de radiação, ondas de choque, etc., no caso de sólidos: Ondas de Rayleigh, dispersão, etc, e assim por diante).

Outras propriedades, no entanto, apesar de serem geralmente descritas de um modo específico da origem, pode ser generalizada para todas as ondas. Por exemplo, com base na origem mecânica de ondas acústicas, pode haver uma perturbação em movimento no espaço-tempo, se e apenas se o meio envolvido é infinitamente nem duro nem infinitamente maleável. Se todas as partes que constituem um meio foram rigidamente ligado, em seguida, iriam todos vibrar como uma, sem atraso na transmissão da vibração e, por conseguinte, qualquer movimento da onda (ou do movimento das ondas, em vez infinitamente rápido). Por outro lado, se todas as partes foram independentes, então não haveria qualquer transmissão de vibração e novamente, nenhum movimento da onda (ou do movimento das ondas, em vez infinitamente lenta). Embora as afirmações acima são sem sentido no caso de ondas que não necessitam de um meio, eles revelam uma característica que é relevante para todas as ondas, independentemente de origem: dentro de uma onda, a fase de uma vibração (isto é, a sua posição dentro do ciclo de vibração) é diferente de pontos adjacentes no espaço, porque a vibração atinge estes pontos em diferentes momentos.

Da mesma forma, os processos onda reveladas a partir do estudo de fenômenos ondulatórios com origens diferentes da de ondas sonoras podem ser igualmente significativa para a compreensão dos fenômenos sonoros. Um exemplo relevante é o princípio de Young de interferência (Young, 1802, em Hunt, 1978: 132). Este princípio foi introduzido pela primeira vez no estudo de Young de luz e, dentro de alguns contextos específicos (por exemplo, dispersão de som por som), ainda é uma área pesquisada no estudo do som.

Características

Ondas periódicas são caracterizados por cristas (elevações) e calhas (baixas), e pode ser geralmente categorizado como longitudinal ou transversal. Ondas transversais são aqueles com vibrações perpendiculares à direcção da propagação da onda; exemplos incluem ondas em uma corda e ondas eletromagnéticas. Ondas longitudinais são aqueles com vibrações paralelas à direcção da propagação da onda; exemplos incluem ondas mais sólidas.

Quando um objeto balança para cima e para baixo em uma ondulação em uma lagoa, ela experimenta uma trajetória orbital porque ondulações não são ondas senoidais transversais simples.

A = em águas profundas.
B = Em águas rasas. O movimento circular da superfície torna-se uma partícula com a diminuição da profundidade elíptica.
1 = A progressão da onda
2 = Crest
3 = Trough

Ondulações na superfície de um lago são realmente uma combinação de ondas transversais e longitudinais; por conseguinte, os pontos na superfície seguem caminhos orbitais.

Todas as ondas tem um comportamento comum sob um número de situações padrão. Todas as ondas podem experimentar o seguinte:

• Reflexão - onda direção mudança de bater uma superfície reflexiva
• Refração - onda mudar de direção a entrada de um novo meio
• Circular onda se espalhando de entrar em um buraco de tamanho comparável aos seus comprimentos de onda - Difração
• Interferência - superposição de duas ondas que entram em contacto uns com os outros (colidir)
• Dispersão - onda divisão por frequência
• Propagação retilínea - O movimento de onda de luz em uma linha reta

Polarização

Uma onda é polarizado se ele só pode oscilar em uma direção. A polarização de uma onda transversal descreve o sentido de oscilação, no plano perpendicular à direcção de deslocação. Ondas longitudinais, tais como ondas de som não apresentam polarização, porque estas ondas para a direcção de oscilação é ao longo da direcção da viagem. A onda pode ser polarizados por meio de um filtro de polarização.

Exemplos

Uma onda superfície do oceano bater em rochas

Exemplos de ondas incluem:

• Ondas de superfície do oceano, que são perturbações que se propagam através da água.
• Ondas de rádio, microondas, raios infravermelhos, luz visível , raios ultravioletas , raios-x, e raios gama compõem a radiação eletromagnética . Neste caso, a propagação é possível sem uma forma, através de vácuo. Estas ondas electromagnéticas viajar em 299.792.458 m / s num vácuo.
• Som - uma onda mecânica que se propaga através do ar, líquidos ou sólidos.
• ondas de tráfego (isto é, a propagação de diferentes densidades de veículos a motor, etc.) - estes podem ser modelados como ondas cinemáticas, como primeiro apresentadas por Sir MJ Lighthill
• As ondas sísmicas em terremotos , dos quais existem três tipos, chamados de S, P e L.
• Ondas gravitacionais, que são as flutuações na curvatura do espaço-tempo previsto pela Relatividade Geral . Estas ondas são não-linear, e ainda têm de ser observada empiricamente.
• Ondas de inércia, que ocorrem em fluidos giratórios e são restaurados pela Efeito Coriolis.

Descrição matemática

Uma onda com amplitude constante.

Ilustração de uma onda (azul curva variando rápido) e seu envelope (a curva mais lenta variando vermelho).

De um ponto de vista matemático, a onda mais primitiva (ou fundamental) é harmónica da onda (sinusoidal), que é descrito pela equação onde é o amplitude de uma onda - uma medida da perturbação máxima no meio durante um ciclo de onda (a distância máxima a partir do ponto mais alto da crista para o equilíbrio). Na imagem à direita, esta é a distância vertical máxima entre a linha de base e da onda. As unidades de amplitude dependem do tipo de onda - ondas em uma corda têm uma amplitude expressa como uma distância (em metros), as ondas sonoras como pressão (pascal) e ondas electromagnéticas como a amplitude do campo eléctrico (V / m). A amplitude pode ser constante (no caso em que a onda é um ou cw de onda contínua), ou pode variar com o tempo e / ou a posição. A forma de a variação de amplitude é chamado o envelope da onda.

O comprimento de onda (como denotado ) É a distância entre duas cristas sequenciais (ou vales). Isto geralmente tem a unidade de metros; também é vulgarmente medida em nanometros para a parte óptica do espectro eletromagnético.

A wavenumber pode ser associado com o comprimento de onda pela relação

As ondas podem ser representados pela movimento harmônico simples.

O período é o tempo de um ciclo completo para uma oscilação de uma onda. O freqüência (Também frequentemente denotado como ) É a forma como muitos períodos por unidade de tempo (por exemplo, um segundo), e é medido em hertz. Estes estão relacionados por:

Em outras palavras, a frequência e período de uma onda são inversos um do outro.

O freqüência angular representa a freqüência em termos de radianos por segundo. Ela está relacionada com a frequência

Existem duas velocidades que estão associadas com as ondas. A primeira é a velocidade de fase, que fornece a taxa na qual a onda se propaga, é dada pela

A segunda é a velocidade de grupo, o que dá a velocidade a que as variações na forma da amplitude da onda se propagam através do espaço. Esta é a taxa à qual a informação pode ser transmitida pela onda. É dada a

A equação de onda

A equação de onda é uma equação diferencial que descreve a evolução de uma onda harmónica ao longo do tempo. A equação tem formas ligeiramente diferentes, dependendo de como a onda é transmitida, eo meio que está viajando através. Considerando-se uma onda unidimensional que está viajando por uma corda ao longo do eixo x com velocidade e amplitude (Que geralmente depende de ambos x e t), a equação de onda é

Em três dimensões, isto torna-se

onde é o Laplacian.

A velocidade v vai depender tanto do tipo de onda e o meio através do qual está a ser transmitida.

A solução geral para a equação de onda em uma dimensão foi dada por d'Alembert. É

Isto pode ser visto como dois impulsos de viajar para baixo a corda em sentidos opostos; F na direcção + x, e G no - direcção x. Se substituirmos para x acima, substituindo-o por direções x, y, z, então, pode descrever uma onda de propagação em três dimensões.

O Equação de Schrödinger descreve o comportamento das partículas em wave-like mecânica quântica . Soluções desta equação são funções de onda que podem ser utilizados para descrever a densidade de probabilidade de uma partícula. A mecânica quântica também descreve as propriedades das partículas que outras ondas, como luz e som, têm na escala atômica e abaixo.

Ondas que viajam

Onda simples ou onda viajando, às vezes também chamado de onda progressiva é um distúrbio que varia tanto com o tempo e distância da seguinte forma:

onde é o envelope de amplitude da onda, é o número de onda e é o fase. O fase velocidade v _p desta onda é dada por

onde é o comprimento de onda da onda.

Onda estacionária

De pé em meio onda estacionária. Os pontos vermelhos representam a onda nós

Uma onda estacionária, também conhecido como uma onda estacionária, é uma onda que permanece numa posição constante. Este fenómeno pode ocorrer uma vez que o meio se move na direcção oposta para a onda, ou que podem surgir de uma forma estacionária, como resultado de interferência entre duas ondas que viajam em sentidos opostos.

A soma das duas ondas contra-propagação (de igual amplitude e frequência) cria uma onda estacionária. Ondas estacionárias comumente surgem quando o de blocos de contorno mais de propagação da onda, causando onda de reflexão, e, portanto, a introdução de uma onda de contra-propagação. Por exemplo, quando um violino string é deslocada, ondas longitudinais propagar para onde a cadeia é mantido no lugar na ponte eo " nut ", onde sobre as ondas são refletidas de volta. Na ponte e" porca ", as duas ondas opostas estão em antifase e anular-se mutuamente, produzindo um nó. A meio caminho entre dois nodos, há uma ventre, onde as duas ondas contra-propagação melhorar o outro máximo. Existe em Médio Não propagação líquido de energia.

Veja também: A ressonância acústica, Ressoador de Helmholtz, e tubo de órgão

Propagação através de cordas

A velocidade de uma onda que se desloca ao longo de uma cadeia de vibração (v) é directamente proporcional à raiz quadrada do tensão (t) através da densidade linear (μ):

Meio de transmissão

O meio que exerce uma onda é chamado um meio de transmissão. Pode ser classificada em uma ou mais das seguintes categorias:

• Uma forma linear, se as amplitudes de ondas diferentes, em qualquer ponto particular no meio pode ser adicionado.
• Um meio limitado se é finito em extensão, caso contrário, um meio de ilimitado.
• Um meio de uniforme, se suas propriedades físicas mantêm-se inalterados em locais diferentes no espaço.
• Um meio isotrópico se as suas propriedades físicas são as mesmas em sentidos diferentes.