Bylgjur og Doppler-hrif

Hvað eru bylgjur? 


 Bylgjur eru einhversskonar titringur sem flytur orku á milli staða án þess að efni (hvort sem það er fast, fljótandi eða loftegund) færist mikið úr stað. Sumar bylgjur geta aðeins ferðast í gegnum eitthvað efni. Efnið kallast þá miðill (sá sem miðlar bylgjunni). Hljóðbylgjur og höggbylgjur (eins og í jarðskjálftum) eru þannig bylgjur. Þær láta eitthvað efni titra. Aðrar bylgjur geta bæði ferðast í gegnum tómarúm og efni. Þær geta ferðast í gegnum einhvern miðil, en þurfa það ekki. Sýnilegt ljós, innrautt ljós, örbylgjur og aðrar rafsegulbylgjur eru af þessu tæi. Þær geta ferðast í gegnum tóman geiminn. Rafsvið og segulsvið titra á ferð þeirra. 


 Að lýsa bylgju. 

 Best er að lýsa bylgjum með 4 einkennum þeirra. Í fyrsta lagi sveiflustærð eða sveifluvídd bylgjunnar, í öðru lagi bylgjulengdinni og í þriðja lagi tíðninni. Loks má lýsa henni með hraða hennar. 


 Sveiflustærð bylgja er nokkurskonar truflun, frávik frá rólegu ástandi. Sveiflustærð er tala sem lýsir því hve truflunin er mikil. Hún felst í að mæla muninn á ystu sveiflu bylgjunnar og miðju hennar eða meðaltali. Taktu vel eftir því að sveiflustærð er ekki vegalengdin frá toppi bylgju að botni. 


Bylgjulengd er fjarlægðin á milli tveggja samsvarandi staða á bylgjunni. Lengdin á milli bylgjutoppa til dæmis eða botna, það skiptir ekki máli hvar er mælt svo lengi sem mælt er á samsvarandi stöðum á báðum bylgjum. Hún er mæld í metrum (m). 


Tíðni er fjöldi sveiflna sem er framkallaður á hverja tímaeiningu (venjulega er miðað við sekúndu). Hana er líka hægt að mæla með því að telja hve margar bylgjur ferðast framhjá ákveðnum punkti á einni sekúndu. Mælieining fyrir tíðni er hertz (Hz) [10 Hz eru tíu bylgjur á sekúndu]. Bylgjur með háa tíðni eru gjarnan mældar í kílóhertzum (KHz), megahertzum (MHz) eða gígahertzum (GHz). Til dæmis þá greinir mannseyrað yfirleitt ekki hljóð yfir 20KHz, útvarpsstöðvar senda gjarnan bylgjur með tíðni um 100MHz og flest þráðlaus tölvunet starfa á tíðni um 2,4 GHz. Mundu: kíló = 1000, mega = 1.000.000 og gíga = 1.000.000.000 


Það er mjög einfalt að finna hraða bylgju. Til þess þarf aðeins að vita tíðni hennar og bylgjulengd. Bylgjuhraði er fundinn með formúlunni: Bylgjuhraði = tíðni x bylgjulengd  


Sem dæmi má taka að bylgja með tíðnina 100Hz og bylgjulengdina 2m ferðast á hraðanum 200 m/sek. [200 m/sek = 100 Hz x 2 m] Bylgjuhraði rafsegulbylgna er alltaf sá sami í tómarúmi, 300.000 km/sek eða c, ljóshraði. Í einhverju miðli geta rafsegulbylgjur ferðast hægar. 


 Doppler-hrif 


Bylgjur geta orðið fyrir sérstöku fyrirbæri sem kallast Doppler-hrif.  Doppler-hrif eiga sér stað þegar athugandinn og það sem athugað er, eru á innbyrðis hreyfingu. Þ.e. það sem þú skynjar er annað hvort á leiðinni til þín eða frá þér. 


 Doppler-hrif og hljóð 


 Fyrst þurfum við að skilja hljóð örlítið betur. Hljóð er bylgja sem verður til þegar loft (eða annar miðill) titrar. Eyrað nemur titringinn, lætur heilann vita af honum og heilinn breytir skilaboðunum í hljóð. Því hraðari sem titringurinn er, því skærara hljóð heyrist. Því hægari sem titringurinn er, því dýpra hljóð heyrist. Fiðlustrengur titrar hraðar en bassastrengur. 
 Þegar sjúkrabíll kveikir á sírenunum heyrist hljóð. Sjúkrabíllinn sendir frá sér hljóðbylgjur í allar áttir. Ef sjúkrabíllinn er kyrr og sá sem hlustar líka, þá breytist hljóðið ekki neitt. En ef sjúkrabíllinn keyrir af stað á töluverðri ferð er hann á vissan hátt að elta hljóðbylgjurnar fyrir framan sig og flýja hljóðbylgjurnar fyrir aftan sig. Þar sem hljóð ferðast ekkert óskaplega hratt er nokkuð auðvelt að nálgast hljóð sem maður hefur sent frá sér (það er hægt að taka fram úr því, rjúfa hljóðmúrinn). Og nú gerist það skrítna. Þar sem sjúkrabíllinn er á ferð sendir hann næstu hljóðbylgju fram fyrir sig dálítið nær síðustu hljóðbylgju en hann hefði gert, hefði hann staðið kyrr. Hann sendir líka sömu hljóðbylgju aftur fyrir sig örlítið fjær síðustu hljóðbylgju en hann hefði gert, hefði hann staðið kyrr. Fyrir þann sem hlustar, verkar þetta einfaldlega (og mjög skiljanlega) eins og hljóðið úr sjúkrabílnum sé skærara fyrir framan sjúkrabílinn og dýpra fyrir aftan hann. Ef bíllinn keyrir framhjá þér breytist hljóðið á báða vegu. Hækkar þegar hann nálgast og lækkar þegar hann fjarlægist aftur. Og þá kemur þetta fræga: vúúúúmmmm! Doppler-hrif eru mikilvæg víðar í eðlisfræði og koma við sögu víðast þar sem bylgjur láta sjá sig. T.d. í stjörnufræði þar sem ljós frá hlutum sem nálgast okkur virkar blárra en það er en rauðara ef ljósgjafinn er á leið frá okkur.