Co se vlní

S mechanickým vlněním se setkáváme v běžném životě poměrně často. Každý jistě již někdy pozoroval vlny na vodní hladině - typické soustředné kružnice, které se na hladině vytvoří, pokud do vody skočí plavec. Vlny lze pozorovat na napjatém provaze, volně visícím řetízku, kytarové struně. V této kapitole se s vlněním seznámíme blíže. Některé vlastnosti vln, o kterých zde budeme mluvit, jsou obecné a vztahují se i na vlny elektromagnetické, nicméně v tomto textu budeme hovořit pouze o vlnách mechanických.

Ke zkoumání vlastností vlnění nám může posloužit jednoduchý vlnostroj. Konstrukce takového zařízení není nikterak složitou záležitostí. Pro snazší a samozřejmě také zábavnější studium vřele doporučujeme si takový vlnostroj postavit. Nabízí se hned tři možnosti.

Obr. 1: Juliův vlnostroj s gumovými medvídky

Ke konstrukci Juliova vlnostroje nám postačí izolepa, několik špejlí a plastelína. Lepicí pásku napneme mezi dvě pevná místa (například židle), naklademe na ni pravidelně špejle a oba konce každé špejle dovážíme závažími z plastelíny (nebo gumovými medvídky). Pokud by měl váš vlnostroj tendence se překlápět, zkuste jej volně zavěsit (opatrně, ať vám neopadají špejle).

Obr. 2: Vlnostroj s kyvadly

Druhý typ vlnostroje sestává ze závěsu, závaží, nitek a pružin. Pro domácí konstrukci budeme potřebovat tyč dlouhou přibližně metr, větší (a těžší) stejné korálky (nebo jiná provrtaná závaží), nit a kloboukovou gumu. V pravidelných odstupech zavěsíme závaží na tyč a každá dvě sousední závaží spojíme kloboukovou gumou. Získáme tak konstrukci podobnou obrázku 2.

Obr. 3: Slinky

Třetím typem vlnostroje je dostatečně dlouhá měkká pružina, zvaná též slinky. Můžeme ji zavěsit na nitky, nebo ji nechat volně položenou na stole. Pokud takovou pružinou disponujete, máte výborné experimentální vybavení na zkoumání mechanického vlnění.

S touto experimentální výbavou můžeme sledovat většinu jevů, o kterých budeme nyní hovořit. Naše vlnostroje sestávají z jednotlivých mechanických oscilátorů. Jediná špejle na Juliově vlnostroji kmitá, stejně tak Machův vlnostroj sestává z kyvadel. Tyto oscilátory jsou spřaženy vazbou (izolepa, guma), která způsobí, že vychýlení jednoho kyvadla se přenáší alespoň na jeho nejbližší sousedy. Pokud by taková vazba v daném prostředí neexistovala, vlnění by v něm nemohlo vzniknout ani se šířit.

Rozkmitejme nyní Juliův vlnostroj. Právě sledujeme příčné postupné vlnění. Postupné proto, že fáze kmitů jednotlivých oscilátorů se šíří v prostoru, příčné proto, že kmity oscilátorů jsou kolmé na směr šíření vlny. Krom vlnění příčného existuje také vlnění podélné, kdy oscilátory kmitají ve směru šíření vlny. Postupnou podélnou vlnu můžeme s trochou cviku vybudit na kyvadlovém vlnostroji nebo pomocí měkké pružiny.

Obr. 4: Příčná a podélná vlna

Ze všech možných vlnění jsme zatím vymezili vlnění postupné, rozeznáme vlnění příčné a podélné. V následující kapitole zavedeme matematický popis pro pohyb jednotlivých oscilátorů.