Stojaté vlny – netradičné experimenty

Ivan Baník

Stojaté vlnenie s nožom

a) stojaté vlny na gumovom páse

Pokus je znázornený na obr. 1. Gumový pás bežnej galantérskej gumy je jedným koncom uchytený o nôž, a druhý držíme v ruke. Rukoväť noža prečnieva za okraj stola. Časť oceľového listu noža pritláčame rukou ku plošine stola. Po vychýlení a uvoľnení nôž kmitá a rozkmitáva aj jeden koniec gumového pásu. Na gume sa pri zmene jej napínania objaví stojaté vlnenie s typickými uzlami a kmitňami.

Ivan Baník: Stojaté vlny – netradičné experimenty - Obr. 1

Obr. 1

b) stojaté vlny na oceľovom páse

Pri tomto pokuse je o oceľový list noža uchytený koniec zvisle umiestneného tenkého oceľového meradla (Obr. 2 ). Po rozkmitaní noža a skusmom naladení príslušnej frekvencie (zmenou dľžky jeho prečnievajúcej časti) sa na meradle vytvorí priečna stojatá vlna.

Ivan Baník: Stojaté vlny – netradičné experimenty - Obr. 2

Obr. 2

Vznik stojatých vľn s ručnou vŕtačkou

Pri demonštračných pokusoch k téme stojaté vlnenie sa osvedčila aj obyčajná ručná vŕtačka. Máva prevod na vyššie otáčky v pomere okolo 1:4. Ako pružné médium prenášajúce vlnu, je vhodná galantérska pásová guma napr. šírky 6 mm a dľžky 3–4 m (v nenapnutom stave).

Jeden koniec gumy fixujeme pri pokuse napríklad o kľučku dverí, druhý upevníme o uchytnú hlavu vŕtačky). Upevníme ju v jednom bode obvodu úchytnej hlavy. Pritom nám poslúži niť, prípadne aj kúsok spofa-pásky.

Pri vlastnom pokuse sa postavíme tak, aby guma bola mierne napnutá a aby sa rotačná os hlavy zhodovala v podstate so smerom gumového pásu. V tejto polohe uvedieme vŕtačku do „činnosti“. Zmenou frekvencie otáčania, resp. zmenou napätia gumy, ľahko dosiahneme vznik dobre pozorovateľného stojatého vlnenia na gumovom páse. Počet polvľn môžeme meniť zmenou otáčok, resp. zmenou napätia gumy. Guma sa postupne skrúca, preto po chvíli zmeníme orientáciu otáčania na opačnú. Guma sa začne odkrúcať. Smer otáčania pri pokusoch občas meníme.

Pri opísanom pokuse koná koncový bod gumového pásu (na strane vŕtačky) kruhový pohyb. Jeho priemerom je však kmitavý harmonický pohyb. Ide vlastne o skladanie dvoch na seba kolmých kmitavých harmonických pohybov. Pri bočnom pohľade na niť vnímame len jednu zložku pohybu, ktorá zodpovedá lineárnym kmitom.

Odraz vlnenia na nehomogenite

Upevnime na určité miesto gumového pásu kovovú maticu a zopakujeme pokus na vznik stojatých vľn za týchto okolností. Pozorujeme, že stojaté vlnenie vzniká prakticky len na úseku medzi zdrojom (vŕtačkou) a maticou. Vlnenie sa od matice takmer celkom odráža. Za ňou má len veľmi malú intenzitu.

Prechod vlnenia z jedného prostredia do druhého

Pri tomto pokuse je pružný úsek, na ktorom vznik stojatých vľn pozorujeme, zložený z dvoch častí. Jeden úsek pružného lineárneho média je tvorený jednoduchým pásom gumy (tak, ako v predcháchajúcich pokusoch), zatiaľ čo druhý úsek je tvorený napríklad rovnakou, ale zdvojenou gumou. Vlna prechádza pritom z jedného prostredia do druhého.

Ak za uvedených okolností vytvoríme na pružnej sústave priečne stojaté vlnenie, vzdialenosť susedných uzlov, resp. kmitní bude na oboch úsekoch média rôzna. Pozorovaný efekt súvisí to s tým, že rýchlosť vlnenia je na oboch úsekoch rozdielna. Frekvencia šíriacej sa vlny je všade rovnaká. Rôzna je teda vlnová dľžka.

Polarizácia vlny

S ručnou vŕtačkou a gumovým pásom môžeme demonštrovať aj polarizáciu vlnenia. Pokusom možno ukázať vlastnosti zariadenie prepúšťajúce len priečne vlny lineárne polarizované v jednom smere. Vŕtačka je – ako sme už povedali – zdrojom kruhové polarizovaného priečneho vlnenia. O napnutý gumový pás je v istom mieste uchytená vodorovná niť, ktorá je mierne napnutá a ktorej druhý koniec je fixovaný. Niť dovoľuje len zvislý pohyb (zvislé kmity).

Nedovoľuje však vodorovné kmity. Za miestom uchytenia nite bude preto príslušné vlnenie už lineárne polarizované. Kmity budú mať smer kolmý na pás (lebo sú priečne) a súčasne kolmý na niť. Tento efekt sa dá veľmi dobre pozorovať.

Dva polarizačné filtre

Pomocou dvoch nití uchytených v dvoch rôznych bodoch napnutého gumového pásu môžeme demonštrovať aj účinok dvoch polarizačných filtrov. Ak sú polarizačné filtre skrížené a teda nite navzájom kolmé, sústavou vlnenie neprejde. Ak sú filtre postavené navzájom paralelne (a nite tiež) vlnenie jednej polarizácie prechádza.