Fala w domu
Według definicji ruch falowy to zaburzenie przemieszczające się w przestrzeni i zmieniające się w czasie. Podczas rozchodzenia się fal mechanicznych elementy ośrodka są wytrącane z położenia równowagi, a z powodu własności sprężystych ośrodka odkształcenie obejmuje coraz dalsze jego części. Energia ruchu falowego jest przenoszona w postaci ograniczonego ruchu cząstek ośrodka (energia kinetyczna) oraz w postaci odkształcenia elementów ośrodka (energia potencjalna).
Fale można klasyfikować na wiele różnych sposobów - np. ze względu na kształt ich czoła wyróżniamy fale płaskie, kuliste oraz koliste.
Najprostszym przykładem ruchu falowego są fale rozchodzące się kołowo na powierzchni wody po wrzuceniu kamienia. Wszyscy to widzieliśmy, ale spójrzmy na rysunek. Obserwując zachowanie się patyczków lub listków pływających na powierzchni wody, można łatwo stwierdzić, że rzeczywisty ruch cząsteczek wody polega na ich podnoszeniu się i opadaniu w jednym miejscu, natomiast sama fala przenosząca te drgania rozchodzi się po powierzchni wody.
Ośrodek nie porusza się więc wraz z rozchodzącą się falą, lecz jedynie jego cząsteczki drgają wokół położeń równowagi, zaś istotę ruchu falowego stanowi przenoszenie się tych drgań na coraz to dalsze warstwy ośrodka.
To samo dzieje się, gdy kibice na boisku demonstrują tzw. falę meksykańską, podnosząc się z krzesełek i siadając z powrotem. Mimo że nie zmieniają miejsc, na których siedzą, widać przechodzącą po trybunach falę.
Tu od sportu można by płynnie przejść do matematyki i równania fali płaskiej, ale my zbudujemy sobie przedstawiający to model i będziemy się dobrze bawić. Od tego najlepiej zacząć przygodę z nauką.
W takim razie proponuję poszukać materiałów i narzędzi, po czym bezzwłocznie zabrać się do budowy modelu. O materiały nie trzeba się bardzo starać, bo pewnie znajdą się w domowym warsztaciku (2).
Materiały: deseczka o wymiarach 500×100 mm, 40 jednakowych nakrętek M4, dwie śruby M6 z nakrętkami, sznurek lub szpagat, kilka patyczków do szaszłyków.
Narzędzia: ołówek, linijka, cienkopis, punktak, młotek, wkrętarka lub wiertarka, wiertło 5 mm, klej na gorąco w serwującym go pistolecie, kombinerki.
Podstawa
To deseczka o wymiarach 500×100 mm. Z obu jej końców, w odległości 20 mm od krótszych krawędzi, wiercimy wiertłem 5 mm otwory pod śruby M6 (7). Śruby te będą suportami sznurka. Najpierw jednak wyznaczymy miejsca pod otwory - narysujemy je ołówkiem (3), a następnie napunktujemy (4).
To ważna czynność, która bardzo ułatwi precyzyjne wywiercenie otworów. Pomimo że w drewnie wierci się łatwiej niż w blasze, to nawyk punktowania bardzo się nam przyda podczas majsterkowania. Otwory posłużą do zamocowania w nich śrub suportu (5).
Śruby M6, wkręcone w deskę z otworem o średnicy 5 mm, wręcz wytłoczą w drewnie własny gwint. W umieszczeniu ich dobrze jest sobie pomóc wkrętakiem. Śruby powinny ciasno pasować do otworu. Jeśli okazałoby się, że wywierciliśmy otwory, które są zbyt luźne, wspomożemy się klejem na gorąco.
Struny
Do wystających śrub w pobliżu ich łbów montujemy sznurek. W końcowym efekcie sznurek utworzy dwie linie, jak dobrze naciągnięte i umieszczone obok siebie struny. Jednak nie przesadnie. Na koniec zabezpieczamy końce sznurka klejem na gorąco, a niepotrzebne, za długie końce obcinamy (9). Do tych strun przykleimy ciężarki.
Ciężarki
Są zrobione z jednakowych nakrętek i patyczków do szaszłyków. Każdy patyczek musimy pociąć na 80-milimetrowej długości odcinki (6). Potrzebujemy 20 odcinków. Przy pomocy kleju na gorąco do każdego z końców patyczka doklejamy nakrętkę (11, 12). Klejem powlekamy koniec patyczka i wkładamy go do leżącej nakrętki. Takie postępowanie powinno ułatwić pracę i zapobiec poparzeniu palców.
Montaż
Na naciągniętych jak struny sznurkach wyznaczamy za pomocą flamastra i linijki równe odcinki. Można się tu posłużyć uprzednio przygotowanym szablonem z kartonu, który bez problemu zapewni nam prawidłowe wyznaczenie długości odcinków (10). Możemy przyjąć, że odległość pomiędzy ciężarkami ma wynosić 20 mm.
Klejem serwowanym z pistoletu glutownicy pokrywamy miejsca oznaczone na sznurku. Można sznurki zbliżyć do siebie palcami, powlec klejem i wtedy puścić. Sznurki wrócą na swoje miejsce, klej się rozdzieli na każdą strunę osobno, a my położymy na to miejsce ciężarek.
Kolejno kładziemy i przyklejamy ciężarki (14). Nim klej wystygnie, mamy chwilę czasu na korektę. Pamiętajmy, żeby ciężarki zachowały równe odległości od siebie i pozostały prostopadłe do naciągniętych sznurków.
Nasz model jest już gotowy do działania.
Zabawa
Oto kilka opcji, które można wypróbować, używając naszego przyrządu do obserwowania ruchu falowego.
Lekko uderzamy palcem w ciężarek na końcu. Obserwujemy przebiegająca falę (15). To nie koniec, bo ruch powraca. Nasze doświadczenie powtarzamy, tym razem uderzając w środku. Jest różnica? Możemy obserwować falę poruszających się ciężarków, która dobiega końca, a potem wraca. Tak prawidłowo działa nasz model.
Z czasem sznurek może się zbytnio rozciągnąć. Model przestaje wówczas pracować. Należy wtedy zrobić jedno: z powrotem naciągnąć sznurek.
Gdy już sami i wspólnie z przyjaciółmi nacieszymy się doświadczeniami związanymi z ruchem falowym, proponuję zanieść model do szkolnej pracowni fizyki. Dodatkowo powinniśmy sobie jeszcze przyswoić kilka wiadomości.
Przede wszystkim to, że fale mechaniczne nie mogą rozchodzić się w próżni. Rozchodzą się w ośrodkach sprężystych.
Promień fali to kierunek rozchodzenia się fali. Czoło fali to zbiór punktów, do których dotarła fala. Powierzchnia falowa to zbiór punktów mających tą samą fazę drgań.
Fale mechaniczne (ze względu na wymiar) dzielimy na: liniowe (jednowymiarowe) - np. na gumowym wężu, powierzchniowe (dwuwymiarowe) - np. na wodzie, przestrzenne (trójwymiarowe) - np. dźwięk w powietrzu.
Uzbrojeni w taką wiedzę z pewnością zaimponujemy nauczycielowi fizyki, gdyby ten jednak chciał się upewnić, że model nie powstał tylko dla poprawienia oceny. Tak czy owak, nasza dociekliwość i pasja eksperymentowania zostaną z pewnością nagrodzone.
Adam Łowicki
