4.3 Odbijanje i lom valova

Odbijanje valova

Pokus

Pribor:

• kadica ili široka pravokutna plitka posuda
  

• voda

• ravnalo i pipeta. ​

Napunimo posudu vodom. Čekamo dok se površina vode potpuno ne umiri, a onda na jednom kraju ravnalom lagano nekoliko puta dotaknemo mirnu površinu vode. Što primjećujete? Nakon toga, kada se površina vode ponovno umiri, pipetom kapnemo nekoliko kapljica na sredinu posude. Što primjećujete?

U oba slučaja na mirnoj površini vode nastaju valovi. Kada ravnalom napravite poremećaj, nastaje ravni val kao na slici.

Kada kapnete nekoliko kapljica, nastaju kružni valovi na vodi.

Ako na mirnu površinu vode postavite plutaču, ona će zatitrati oko svog ravnotežnog položaja, pomicati se gore-dolje onoliko dugo koliko je bilo potrebno prolasku vala. Na kraju će ostati na istom mjestu gdje ste je postavili na početku.

Već smo govorili kako valovi prenose energiju, a čestice vala samo titraju oko ravnotežnog položaja, okomito na smjer prostiranja vala kad je riječ o transverzalnim valovima odnosno paralelno sa širenjem vala kad je riječ o longitudinalnim valovima.

Što se dogodilo kada je val stigao do ruba posude?

Val se odbio.

Kakav je odbijeni val, je li se što promijenilo?

Ravni val odbio se ponovno kao ravni val, ali se promijenio smjer njegova rasprostiranja. Isto se dogodilo i s kružnim valom. Kružni val odbio se kao novi kružni val.

Valove prikazujemo valnim frontama. Ako pogledamo ravni val koji smo izazvali na vodi, vidimo kako jedan njegov brijeg izgleda poput ravne crte - to je valna fronta ravnog vala. U našem pokusu napravili smo nekoliko valova, pa smo vidjeli i nekoliko valnih fronti.

Ako smo bili precizni, naši valovi, a onda i valne fronte, bili su paralelni.

Za kružne valove valne fronte karakteristične su koncentrične kružnice koje se šire iz izvora vala.

​Smjer rasprostiranja vala okomit je na valnu frontu. Uobičajeno je obilježiti ga strelicom. Tu strelicu nazivamo valnom zrakom.

Udaljenost dviju susjednih valnih fronti valna je duljina našeg vala. 

Promotrimo animaciju

Odbijanje ravnog vala o prepreku - prikazano valnim frontama, prepreka je prvo okomita na valnu zraku, a potom je prepreka pod nekim kutom.

Nakon nailaska ravnog vala na čvrstu prepreku val se odbija. Ako je prepreka okomita na valnu zraku, val se odbija pod kutom od $180°,$ ravno natrag, valna zraka odbijenog vala ponovno je okomita na prepreku, samo se promijenio smjer rasprostiranja vala.

Što se događa ako je čvrsta prepreka na koju val nailazi pod nekim kutom u odnosu na nadolazeći val?

Uočimo prvo okomicu na postavljenu prepreku.

Ako je prepreka postavljena pod nekim kutom, tada valna zraka nadolazećeg (upadnog) vala s okomicom na prepreku zatvara upadni kut alfa, koji je jednak kutu odbijanja beta koji gradi valna zraka odbijenog vala s okomicom na čvrstu prepreku. 

Pri odbijanju (refleksiji) valova upadni je kut jednak kutu odbijanja (kut refleksije).

$\alpha =\beta$ 

Kutak za znatiželjne

Principom odbijanja valova o čvrstu prepreku koriste se radari kojima sa prate objekti koji se gibaju. Odašiljač radara šalje radiovalove koji se odbijaju o čvrstu prepreku na koju su naišli. Te "prepreke" obično su automobili u prometu ili zrakoplovi na nebu. Radari se koriste i u meteorologiji i u astronomiji, a radarsku sliku naoblake možete pogledati na stranicama Državnoga hidrometeorološkog zavoda http://meteo.hr/.

Detektor radara "hvata" odbijene radiovalove. Udaljenost i brzina objekta određuje se iz podataka o vremenu koje je bilo potrebno radiosignalu da dođe do objekta te se o njega odbije.

Više o radaru saznajte na http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=51409.

Valovi se lome

Pokus

Pribor: ​

• kadica ili široka pravokutna plitka posuda ​
• voda ​
• dvije plutače
  
• ravnalo
  
• staklena ploča.

Napunimo posudu vodom pa pričekamo dok se površina vode potpuno ne umiri, a onda na jednom kraju ravnalom lagano nekoliko puta dotaknemo mirnu površinu vode.

Što primjećujete?

Imamo već poznati ravni val na vodi.

Sada pažljivo uronimo staklenu ploču u posudu. Tako smo dobili dva područja s vodom, jedno u kojemu je voda plića i jedno u kojemu je voda dublja kao na slici.

Pričekamo dok se površina vode potpuno ne umiri, a onda na mjestu gdje je voda dublja ravnalom pravimo valove stalne frekvencije.

Promotrite što se događa s valovima prilikom prelaska iz dublje u pliću vodu.

Što primjećujete? Što se promijenilo, a što je ostalo jednako?

Strjelice  pokazuju smjer prostiranja vala.

1. Frekvencija vala ostaje nepromijenjena - vaša ruka kreira valove stalne frekvencije. ​
2. Primjećuje se kako su valne fronte bliže u plićoj vodi - što znači da se valna duljina smanjila.

Ako u pliću i dublju vodu postavite po jednu plutaču, možete promatrajući gibanje plutače zaključiti što se događa s amplitudama valova. U dubljoj i plićoj vodi različite su amplitude.

Što nam ovo govori o brzini vala u plićoj i dubljoj vodi?

Prisjetimo se izraza za brzinu vala:

$v =\lambda · f$  ​

Jedan podatak - frekvencija,  ostala je jednaka, a drugi podatak - valna duljina, ima manji iznos u plićoj vodi.

To nam govori kako se brzina vala smanjila u plićoj vodi.

Kutak za znatiželjne

Pri prelasku vala iz jednog u drugo sredstvo frekvencija ostaje nepromijenjena, a mijenjaju se valna duljina i brzina rasprostiranja vala.

Omjer valnih duljina u dvama različitim sredstvima jednak je omjeru brzina rasprostiranja valova u tim sredstvima.

Dakle, brzina rasprostiranja vala u vodi ovisi o njezinoj dubini; brzina vala manja je u plićoj vodi.

Pokus

Uradimo isti pokus, s istom aparaturom, ali ovaj put ćemo zakrenuti staklenu ploču za neki kut ili možemo pravokutnu staklenu ploču zamijeniti pločom u obliku trapeza.

Pričekamo dok se površina vode potpuno ne umiri, a onda na mjestu gdje je voda dublja ravnalom pravimo valove stalne frekvencije.

Promotrite što se događa s valovima prilikom prelaska iz dublje u pliću vodu. Pogledajte videosnimak pokusa na interakciji dolje: Poveznica na jedinicu 3.1

Što primjećujete? Što se promijenilo, a što je ostalo jednako?

Za razliku od prošlog pokusa ovaj se put više stvari promijenilo. Kao što ste i očekivali, frekvencija je ostala jednaka, a smanjila se valna duljina, međutim dodatno se promijenio i smjer rasprostiranja vala u plićoj vodi.

Kažemo da se val lomi.

Ponovno je bitno uočiti okomicu na granicu pliće i dublje vode. Rasprostirući se dubljom vodom, zraka upadnog vala nailazi na granicu pliće i dublje vode pod nekim upadnim kutom, $\alpha ,$ kut između lomljene zrake i okomice,  $\beta ,$ razlikuje se od upadnog kuta. Manji je.

Dakako, brzina vala manja je u plićoj vodi. 

Prilikom prelaska vala iz sredstva u kojemu je njegova brzina veća u sredstvo u kojemu je njegova brzina manja, val se lomi prema okomici na granicu sredstava. 

Prilikom prelaska vala iz sredstva u kojemu je njegova brzina manja u sredstvo u kojemu je njegova brzina veća, val se lomi o okomicu na granicu sredstava.

Kutak za znatiželjne

Potres i cunami

Iako mogu nastati na nekoliko načina, valovi koje nazivamo cunami (naziv je iz japanskog jezika, a znači "val u luci") obično kao uzrok svog nastanka imaju potres nastao duboko pod morem.

Nakoliko preduvjeta treba biti ispunjeno kako bi nastali cunami-valovi razornih dimenzija, poput katastrofalnog cunamija iz 2016. koji je odnio više od $150000$ života u južnoj Aziji. Možemo reći da treba biti ispunjeno nekoliko nesretnih okolnosti.

Cunami-valovi putuju velikim brzinama, a približavajući se obali brzina im se smanjuje (naučili smo da se brzina valova u vodi smanjuje prelaskom iz dublje u pliću vodu, cunami-valovi nisu izuzetak od tog pravila; priroda, za razliku od ljudi, ne pravi izuzetke). Razvoju cunami-valova pogoduju plitki zaljevi, u kojima se valovi uzdižu, visine mogu biti zastrašujuće. Ulaskom u pliću vodu zbog zakona održanja energije mogu nastati valovi velikih amplituda.

Periodi cunami-valova kreću se od $10$ minuta do jednog sata.

Kao što smo naveli, razlog nastanka cunami-vala obično je potres duboko pod morem. Razlog može biti i odlamanje velikih ledenih blokova na Antarktici ili na Arktiku. Potresi nastaju zbog nekoliko različitih razloga - vulkanske aktivnosti, pomicanja zemljine kore i slično. Doprinos u razumijevanju nastanka i širenja potresa dao je i naš svjetski poznati znanstvenik Andrija Mohorovičić (1857. - 1936). Otkrio je da postoji granica između zemljine kore i plašta (danas se ta granica naziva, njemu u čast, Mohorovičićev diskontinuitet, kraće MOHO) na prosječnoj dubini od $33\mathrm{km}.$ Najplići se MOHO nalazi na dnu oceana, na dubini od $5$ do $10\mathrm{km},$ a najveća je dubina na mjestima kontinentalnih ploča, $70\mathrm{km}.$

Val potresa prelazi iz kore u plašt, lomi se (prilikom prelaska vala iz jednog u drugo sredstvo valovi se lome, ovisno o brzini gibanja - prirodni zakon vrijedi i u kadici s vodom i u dubinama Zemljine kore, nema izuzetaka) i nastavlja se gibati većom brzinom kroz plašt. Tako nastaju dva početna vala, sporiji kroz koru i brži kroz Zemljin plašt.

Navedimo i da je jedan krater na tamnoj strani Mjeseca nazvan po našemu znanstveniku.

Projekt

Ogib vala

Pribor:

• Kadica ili široka pravokutna plitka posuda, ​
• voda, ravnalo i
  
• pregrada, ili dvije pregrade.

Napunimo posudu vodom, postavimo pregradu na sredinu posude. Čekamo dok se površina vode potpuno ne umiri, a onda na jednom kraju ravnalom lagano nekoliko puta dotaknemo mirnu površinu vode.

Što primjećujete?

Kao velika pomoć prilikom realiziranja ovog projekta mogu vam pomoći brojni internetski resursi. U tražilicu upišite riječi poput: ogib, svojstvo vala da zaobilazi prepreku, ili pak koristite engleski izraz wave diffraction. Radite u grupi, svaki član grupe neka napravi svoje osobno istraživanje, svoj osobni WebQuest. Rezultate usporedite a onda uz pomoć predložene aparature napravite pokus.

Zabilježite svoja zapažanja i svoj rad dokumentirajte fotografijama i video zabilješkama. Od prikupljenih i snimljenih materijala možete napraviti prezentaciju. Bilježite svaki korak svojega rada.