Mehanički valovi

Slobodni valovi pravilno su, periodično gibanje čestica vode u moru.

Primjer longitudinalnog vala.

Primjer transverzalnog vala.

Interferencija dvaju kružnih valova.

Mehanički valovi (na primjer zvuk) šire se u elastičnom mediju (na primjer zrak, voda) titranjem čestica povezanih elastičnim silama oko ravnotežnoga položaja; energija valova to je veća što je veća amplituda titranja, a izvor valova svako je tijelo koje titra (na primjer izvor zvuka može biti žica glazbenog instrumenta). Valovi su širenje poremećaja kojim se prenosi energija kroz medij, a da se medij kao cjelina ne pomiče. Pri širenju vala čestice sredstva ostaju na svojim mjestima i titraju oko ravnotežnog položaja, širi se samo stanje titranja odnosno prenosi se energija izvora vala.

Tipovi mehaničkih valova

Prema načinu širenja, valovi se mogu podijeliti na longitudinalne, koji se šire titranjem čestica u pravcu širenja vala (na primjer ultrazvuk), i transverzalne, koji se šire titranjem okomitim na smjer širenja vala (na primjer radiovalovi). Valovi na površini vode kombinacija su longitudinalnih i transverzalnih valova. Transverzalni valovi mogu biti polarizirani (polarizacija), to jest čestice koje ih prenose ili električno i magnetsko polje mogu titrati izraženije u nekoj ravnini.

Valovi nastaju u izvoru vala, a titranje se određenom brzinom proširi kroz sredstvo. U elastičnim su tvarima susjedne čestice međusobno povezane elastičnim silama te pomak jedne čestice iz ravnotežnog stanja uzrokuje i pomak susjednih čestica. Poremećaj ravnotežnog stanja se zbog tromosti ne prenosi trenutno nego nekom konačnom brzinom. Pritom kroz sredstvo ne putuju čestice nego sam poremećaj; zato je važno razlikovati brzinu titranja čestica oko ravnotežnog položaja od brzine širenja vala.

Brzina vala ovisi o osobinama (elastičnosti i gustoći) sredstva kroz koje val prolazi. Brzina valova ovisi o mediju kroz koje se valovi šire pa je na primjer brzina mehaničkih valova u čvrstom tijelu:

$v={\sqrt {\frac {E}{\rho }}}$

a u plinu:

$v={\sqrt {\frac {\chi \cdot p}{\rho }}}$

gdje je: E - modul elastičnosti, ρ - gustoća tijela ili plina, ϰ - adijabatski koeficijent plina, p - tlak plina. Brzina širenja elektromagnetskih valova u vakuumu je 299 729 458 m/s (brzina svjetlosti) i prema teoriji relativnosti najveća moguća brzina gibanja, dok je brzina širenja u drugim prozirnim medijima manja na primjer na 20 °C u zraku 1,0003, u vodi 1,333, u dijamantu 2,42, u silikonu 4 puta manja (indeks loma). Kada se valovi nađu na granici između dvaju medija, dolazi do njihova ogiba, refrakcije ili refleksije i u posebnim uvjetima do stojnih valova. Kada val prelazi iz jednog sredstva u drugo ili se prostire kroz nehomogeno sredstvo, brzina i valna duljina mu se mijenjaju, a frekvencija ostaje ista.

Važni pojmovi

Valovi se opisuju s pomoću valne duljine λ, udaljenosti između dvaju brijegova ili dolova sinusoidalnoga vala; perioda vala T, vremena koje protekne dok se val pomakne za jednu valnu duljinu; valnoga broja k, veličine recipročne valnoj duljini, i frekvencije ν, veličine recipročne periodu. Fazni pomak udaljenost je između najbližih brijegova ili dolova dvaju valova jednake frekvencije i smjera širenja. Jednadžba oblika:

$a=A\cdot \sin \left(x-\nu \cdot t\right)$

opisuje izgled sinusoidalnoga vala u bilo kojoj točki prostora, gdje je a - elongacija, A - amplituda, x - udaljenost čestice od izvora vala i t - vrijeme širenja vala. Ako se u isto vrijeme na istome mjestu nađu dva vala, doći će do njihove interferencije, a složenije valno gibanje može se prikazati kao suma sinusoidalnih valova različitih amplituda i frekvencija.

Koherentni valovi, uzajamno jednaki po frekvenciji, faznom pomaku, polarizaciji (koherencija; laser), omogućuju da se vidi interferencijska slika (na primjer interferencijske pruge). Ako se izvor valova ili promatrač gibaju, s pomoću Dopplerova učinka može se odrediti njihova brzina, što se primjenjuje u astronomiji, medicini, prometu i drugom.