bølge

I mekaniske bølger er det stoffets småpartikler som svinger. Elastiske krefter mellom småpartiklene gjør at bevegelsen av en partikkel blir overført til nabopartiklene, slik at disse etter hvert også kommer i svingninger. Dermed brer svingebevegelsen seg gjennom stoffet og danner bølger.

Det er energi som blir overført og flyttet ved bølgebevegelsen, det er ikke de svingende partiklene som blir flyttet.

Slik bølgebevegelse kan komme i stand langs et tau eller en streng, den kan bre seg som lyd gjennom luft eller annet stoff eller som rystelser fra et jordskjelvsentrum, og den kan bre seg som ringbølger fra et bølgesentrum på en vannflate.

Radiobølger, varmestråling og lysstråling er elektromagnetiske bølger. Her er det den magnetiske og elektriske feltstyrken som svinger, og disse svingningene trenger ikke noe stoff å bre seg i, de brer seg hurtigst i tomt rom.

Hvis hver enkelt av de svingende enhetene svinger på tvers av den retningen bølgene går, er det en transversal bølgebevegelse, tversbølger. Da går altså svingebevegelsen på tvers av utbredelsesretningen. Elektromagnetiske bølger og bølgene langs et tau er transversale.

Hvis hver enkelt svingende enhet svinger langs samme retning som bølgene går, er det en longitudinal bølgebevegelse, langsbølger. Lydbølger er longitudinale.

Bølgelengden er avstanden mellom et punkt og det nærmeste punktet der svingetilstanden (fasen) er den samme, for eksempel fra en bølgetopp til den neste.

Hvis bølgens frekvens f og utbredelseshastighet c er kjent, er bølgelengden λ = c/f .

Lydbølger som det menneskelige øret kan registrere, har bølgelengder fra 16–20 m i de dypeste tonene til 1–3 cm i diskanten. Elektromagnetiske bølger spenner over et område fra gammastråler på 1/100 000 000 mm til lange radiobølger på 30 000 meter.

Det største utslaget til hver side fra midtstillingen i en svingning kalles amplituden. Bølgenes amplitude avtar ofte utover, fordi bølgebevegelsens energi spres over et stadig større område slik som for ringbølgene på en vannflate eller fordi energien blir delvis absorbert i stoffet som bølgene sprer seg i.

I en lydbølge er det amplituden som bestemmer hvor kraftig lyden er, mens frekvensen bestemmer hvor lys eller mørk lyden er.

Hvis man på et meget langt tau setter i gang en svingebevegelse og stanser den igjen etter noen få svingninger, vil et begrenset bølgetog eller en bølgegruppe bevege seg langs tauet. En slik bølgegruppe kan man også lage som en serie stadig voksende ringbølger på en vannflate. Foran og bak gruppen er vannflaten i ro. I en slik bølgegruppe kan man observere at bølger oppstår i bakkanten og løper forover i gruppen og forsvinner i bølgefronten. Bølgene beveger seg altså fortere enn gruppen som helhet. Man skiller derfor mellom bølgenes gruppehastighet og enkeltbølgenes fasehastighet. Energien som transporteres med bølgebevegelsen, følger gruppehastigheten.

Når bølger går fra et medium gjennom grenseflaten til et annet medium hvor bølgehastigheten er en annen enn i det første, vil bare en del av bølgeenergien gå inn i det andre mediet, og samtidig vil bølgene få en annen retning. Dette kalles brytning eller refraksjon. Resten av bølgeenergien blir reflektert ved grenseflaten. Lysbølger som går fra luft til vann eller fra luft til glass, blir delvis reflektert og delvis brutt. Brytning er også årsaken til at vannbølger uansett vindretning alltid ruller innover grunnere vann mot land, aldri fra land, fordi bølgehastigheten er mindre på grunt enn på dypt vann.

Bølger er ofte satt sammen av flere bølgelengder. De forskjellige bølgenes utslag legger seg oppå hverandre. Dette fenomenet kalles overlagring eller superposisjon. Lydbølgene fra musikkinstrumenter og talestemmer er slike sammensatte bølger, og forskjellig sammensetning gir forskjellig klangfarge. Alle de enkelte bølgene som en slik sammensatt bølge består av, kan man finne ved Fourieranalyse .

Når bølgene kommer inn mot en molo med en smal åpning, vil åpningen virke som en bølgekilde for ringbølger (halvringer) innenfor moloen. Hvis det er en bred åpning i moloen, vil bølgene fortsette rett frem i en stripe like bred som åpningen, men på begge sider av stripen vil bølgene krummes tilbake som en del av en ringbølge. Denne kanteffekten kalles bøyning eller diffraksjon og observeres ved alle bølger som passerer kanter eller hjørner. Den er særlig nøye undersøkt for lysbølger.

Hvis det er to smale åpninger i moloen, vil ringbølgene fra den ene åpningen overlagre ringbølgene fra den andre åpningen, og det dannes et karakteristisk interferensmønster. I noen retninger virker de to bølgesystemene sammen og danner høye topper og dype daler; i andre retninger virker de to bølgesystemene motsatt og slukker hverandre ut, slik at vannflaten ligger i ro. Interferens med lys er særlig nøye undersøkt. Interferens kan observeres ved alle slags bølgebevegelser hvis det er muligheter for refleksjon av bølgene. Ved ujevnheter i terrenget kan korte radiobølger lage interferensmønstre, og ved å flytte på en enkel TV-antenne eller en FM-radioantenne kan man finne sterke og svake steder i bølgefeltet.

Hvis man svinger et tau med bestemte frekvenser, kan man få tauet til å utføre regelmessige svingebevegelser uten at det løper bølger langs tauet. Utslagene har bølgeform, og det kan være én eller flere bukter på tauet. Dette kalles stående bølger, stasjonære bølger eller stasjonære svingetilstander. Man kan tenke seg at de er oppstått ved interferens mellom like bølgetog fra hver ende av tauet. Stående bølger kan oppstå ved alle slags bølgebevegelser. Luftsvingningene i blåseinstrumenter og svingningene i strenger beskrives som slike stående bølger.