Svingninger og bølger 

Svingninger | Beskrivelse af svingninger | Dæmpede svingninger | Vibrationer | Bølger 
| Bølgetyper | Tværbølger | Længdebølger på en fjeder | Hvordan bølger opfører sig 
| Bølger omkring os | Ideer til videre undersøgelser og projekter

Nemme eksperimenter med svingninger: Tivolifysik
Kopiark til interferens-demonstration: Bølgebilleder

Svingninger

Hvad er svingninger?
I fysik og kemi kalder vi det svingninger, når noget gentagende gange bevæger sig frem og tilbage omkring en hvilestilling.

Strengen på en violin svinger, hvilestillingen er den fuldt optrukne streg:

 

Et lod i en snor kan svinge, det kalder vi et pendul:

Y1 og Y2 er de to yderstillinger
og H er hvilestillingen

Det behøver ikke nødvendigvis at være en genstand, der svinger. I et elektrisk kredsløb kan der også opstå svingninger, elektriske svingninger. Elektricitet, der svinger, skaber svingninger i såvel det elektriske som det magnetiske felt omkring ledninger, hvilket resulterer i elektromagnetisk stråling (synligt lys og radiobølger er eksempler herpå).

Beskrivelse af svingninger
En bevægelse fra det ene yderpunkt, hen over hvilestillingen, til det andet yderpunkt og tilbage igen kaldes én svingning.

Udsvingets størrelse kaldes amplituden. Hvis man anslår strengen på en guitar ganske let, bliver den svingende strengs amplitude lille, og strengen giver kun en svag lyd. 
Antallet af svingninger pr. sekund ( = antal hertz (Hz)) kaldes svingningens frekvens.

Dæmpede svingninger
Når en ting svinger, vil dens svingninger normalt før eller siden dø ud, fordi gnidningsmodstanden (friktionen) tapper svingningen for energi. Man kunne også sige, at svingningsenergien bliver til varmeenergi. Fx vil et pendul "gå i stå af sig selv", når det har svinget nogle minutter.

En svingning, der på den måde ebber ud, kalder vi en dæmpet svingning.

Naturlig frekvens og resonans
Enhver ting, der svinger, har en naturlig frekvens. Det er den frekvens, genstanden af sig selv vil svinge i, hvis den ikke bliver forstyrret. 

Et pendul, der er 1 m langt, vil fx svinge med frekvensen 0,5 Hz. Det vil altså tage 2 sekunder for én svingning.

Hvis man så giver pendulet et lille puf, hver gang det har foretaget én svingning, vil udsvingets størrelse (amplituden) vokse, indtil det bliver meget stort. Det kaldes resonans, når en lille påvirkning, der bliver gentaget mange gange i en genstands naturlige frekvens, medfører kraftige svingninger (stor amplitude).

Du kender resonans fra bilen, hvis pludselig en ting begynder at "synge med", når bilens motor snurrer med en bestemt fart. Eller det irriterende tilfælde, hvor en lampeskærm "synger med", hver gang man anslår en bestemt tangent på klaveret. Så snart man rammer genstandens naturlige frekvens, begynder den at svinge med.

Vibrationer
Mange alvorlige problemer i forbindelse med maskiner skyldes kraftige vibrationer, der kommer, når f.eks. motorens svingningsfrekvens er den samme som hele maskinens, altså når der er resonans mellem motor og maskine. 

Problemet kan afhjælpes ved at montere motoren på gummiklodser. En stor gasmotor på et kraftvarmeværk ville kunne vælte den bygning, den står i, hvis ikke gummiklodser isolerede den fra bygningen.



Bølger

En bølge kan forklares som en forstyrrelse, der udbreder sig i tiden. Kaster man f.eks. en sten i en stille sø, breder bølger sig ud fra det sted, stenen faldt. De enkelte vandmolekyler følger ikke med bølgen, de bevæger sig bare op og ned i forhold til deres oprindelige stilling.

Vi knytter bølgebegrebet til forskellige fænomener: 
· Vandbølger
· Lydbølger
· Jorskælvsbølger
· Bølger på reb, vi svinger
· Bølger på en fjeder
· Korn, der bølger
· Lysbølger (elektromagnetiske bølger)
· Radiobølger (elektromagnetiske bølger)

Én slags bølger skiller sig ud fra de øvrige, nemlig elektromagnetiske bølger. De kan udbrede sig i det tomme rum - ja, det går endda bedre her end i stof. Lys går fx bedre og hurtigere gennem vakuum end gennem glas.

Bølger, der kun udbreder sig i stof, kaldes samlet for mekaniske bølger.

Bølgetyper
Der er to grundtyper af bølger: Tværbølger og længdebølger:

Tværbølger
I tværbølger svinger de enkelte partiker, eller hver "bølgedel" op og ned som korkproppen på søens bølger - eller på tværs af (vinkelret på) bølgernes udbredelsesretning. Vandbølger og elektromagnetiske bølger er tværbølger.

I længdebølgerne bevæger de enkelte partikler sig frem og tilbage langs bølgernes udbredelsesretning.
På den måde dannes skiftevis fortætninger og fortyndinger. Lydbølger er længdebølger.
Jordskælvsbølger kan både være længde- og tværbølger (hhv. P- og S-bølger). 

Længdebølger på en fjeder.
Bølger kan beskrives ud fra en række forskellige egenskaber:

· udbredelseshastighed, v (hastigheden, bølgerne forplanter sig med - måles i m/s)
· frekvensen, f (antal svingninger pr. sekund - måles i Hertz (Hz))
· bølgelængde, l (afstand mellem to bølgetoppe eller to fortætninger - måles i m)
· amplitude (udsvingets størrelse, "styrken")
Frekvens og amplitude genkender vi også fra svingninger.

Mellem de tre første størrelser gælder følgende enkle sammenhæng:
v = f × l
eller
udbredelseshastigheden = frekvens × bølgelængde

To tværbølger med samme bølgelængde, men forskellig amplitude.

For bedre at forstå denne sammenhæng kan du studere animationen "Lyd".

Hvordan bølger opfører sig
Det er facinerende, at alle bølger opfører sig ens, så man kan lære om radiobølger eller ultralydbølger ved at kikke på vandbølger! Og det er ubetinget lettere at følge med i, hvad der sker i et fad vand end med usynlige bølger i luften.
Alle de effekter, man finder i forbindelse med vandbølger, kan man genfinde ved de andre bølgefænomener.
De tegninger, der er vist herunder, er små vandbølger i et kar set ovenfra. Man kan lave cirkulære vandbølger ved at dyppe en lille kugle (eller en finger) ned i et vandkar. Vil man have lineære bølger, kan man i stedet dyppe en lineal eller lignende i vandet.

De cirkulære bølger her kommer fra et punkt og breder sig i alle retninger. De lineære breder sig kun i én retning. Læg mærke til, at bølgerne går på tværs af bølgeretningen - naturligvis, da vandbølger er tværbølger!

Bølger passerer hinanden

Bølger fra to kilder passerer hinanden uden at forstyrre hinanden.

Spejling

Cirkulære bølger rammer en forhindring og kastes tilbage.

De tilbagekastede bølger vil se ud til at have deres udspring i S på den modsatte side af forhindringen - Vi kunne sige, S er spejlbilledet af K. Én af stråleretningerne er vist, og de almindelige spejlingsregler gælder (indfaldsvinkel = udfaldsvinkel).

Spejling vist med lineære bølger. 


Brydning

Når bølger går fra dybt vand ind over lavt vand, bremses de ned og udbredelsesretning og bølgelængde ændres; der sker en brydning. Jo lavere vand, desto større brydning. Ved sammenligning af vandbølger og lysbølger svarer det dybe vand til vakuum og det lave til fx glas.

 

Bøjning

En lille forhindring af størrelsesordenen én bølgelængde smyger bølgerne sig udenom og gendannes fulstændigt

Rammer lineære bølger (eller for den sags skyld cirkulære bølger) en forhindring med en lille åbning, vil en lille del af bølgen passere og danne cirkulære bølger på den anden side. Den øvrige del vil blive kastet tilbage fra forhindringen (ikke vist på tegningen). Der kommer ikke blot en stribe bølger igennem, men bølgerne "går om hjørner".

Interferens

Er to åbninger tæt ved hinanden, vil der dannes et smukt mønster, hvor bølgerne "blander sig" - et interferensmønster. Bølgetoppe støder sammen og danner dobbelt så høje toppe og tilsvarende med bølgedalene (konstruktiv interferens). Og hvor top møder dal, udsletter de hinanden (destruktiv interferens).

Bølger omkring os
Vi er konstant omgivet af energi, der udbreder sig som bølger. Her er nogle eksempler på bølgeudbredelse og bølgelængder, der knytter sig dertil. Bølgelængderne er ikke nøjagtige angivelser, men tal, der skal give en fornemmelse af bølgelængderne.
Med undtagelse af lyd, er der tale om elektromagnetisk stråling, hvor afgrænsningen mellem de forskellige typer ikke er så præcis, som det kunne se ud her.



Lyd 
Bølgelængde: 20 m - 1,7 cm (menneskers høreområde)
Udenfor, på hver side af det hørbare lydspektrum, er der hhv. infralyd og ultralyd.

Radiobølger
Bølgelængde: 2 km - 30 cm
(langbølge - mellembølge - kortbølge - ultrakorte bølger)

Mikrobølger
Bølgelængde: 1 mm - 30 cm

Infrarød stråling
Bølgelængde: 1 mm - 1/1000 mm

Synligt lys
Bølgelængde: 750 nm - 400 nm (1nm = 1/1.000.000 mm)

Ultraviolet lys
Bølgelængde: 400 nm - 15 nm

Røntgen stråling
Bølgelængde: 15 nm - 1 pm (1 pm = 1/1000 nm eller 1/1.000.000.000 mm)

Gammastråling
Bølgelængde: under 1 pm


Ideer til videre undersøgelser og projekter
Hæng to fjederpenduler op med lodderne delvist under vand som vist, sæt den ene i svingninger og se, hvad der sker.
Prøv det samme uden vand.
Prøv at hænge ét pendul op med loddet i vand. Prøv at få pendulet i svingninger ved at dyppe en finger rytmisk i vandet.
Hvad viser forsøgene?

 

Ved hjælp af tråd og store jernmøtrikker hænges to magneter op som vist herunder. Sæt den ene i svingninger og se og forklar, hvad der sker.

Find selv de bedste metoder til at lave ringbølger og lineære bølger i et kar eller en bakke med vand. Lav eksperimenter med vandbølger: Spejling, brydning, bøjning og interferens.

Eksperimentér med interferensmønstre ved hjælp af Interferenssimulatoren på Ahorn Science CD.

Kan lyd gå om hjørner? Undersøg ultralyd og hørbar lyd. Hvad går nemmest om hjørner? 
Bas- og diskanttoner går ikke lige let om hjørner. Hvorfor ikke? 

Studér og beskriv højttaleres og højttalersystemers opbygning og virkemåde. Hvilke hensyn tages til bas- og diskant toner?

Kan lys gå om hjørner? Undersøg om der er forskel på IR-lys og synligt lys i den henseende.