Falą nazywamy przenoszące energię zaburzenie pola fizycznego które rozchodzi się ze skończoną szybkością. Jeżeli kierunek zaburzenia jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, wówczas fala jest falą poprzeczną (m. in. fale elektromagnetyczne), jeżeli natomiast obydwa kierunki są takie same, wówczas fala jest falą podłużną (m. in. fale ciśnienia akustycznego w powietrzu).

Na ruch fali mogą działać przeróżne zjawiska, gównie:

Dyfrakcja

Interferencja

Dyfrakcja

Dyfrakcja jest to zjawisko polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. Jeśli wiązka fal przejdzie przez wąską szczelinę albo ominie bardzo mały obiekt, wówczas zajdzie zjawisko ugięcia się fali. W zgodzie z zasadą Huygensa wszystkie punkty niedaleko krawędzi przeszkody stają się nowymi źródłami fali. Jeśli uwzględnimy zjawisko nakładania się fal, wówczas będziemy mogli zaobserwować, iż za przeszkodą utworzy się obraz wzmocnienia oraz osłabienia rozchodzących się fal.

Zjawisko ugięcia się fali a się zauważyć dla fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych i fal materii.

Jeden z prostszych przykładów zjawiska ugięci się fali zachodzi, w momencie kiedy światło lasera zostanie przepuszczone przez wąską pojedynczą szczelinę. Dla tak nieskomplikowanego przypadku bardzo prosto jest podać zależność na jasność w funkcji kąta odchylenia od osi. Wszystkie punkty szczeliny o szerokości d, są nowym źródłem fali. Pomiędzy źródłami dochodzi do nakładania się fal, co powoduje że zaobserwujemy wzmacniania oraz osłabiania światła lasera jakie pada na ekran. Zależność na jasność światłą zatem będzie wyglądała w następujący sposób postać:

gdzie:

I - intensywność światła,

 - długość fali,

d - szerokość szczeliny,

funkcja sin(x) = sin(x)/x.

Przepuszczenie fali przez szczelinę dyfrakcyjną daje możliwość na zdefiniowanie w którą stronę rozchodzą się fale. Im mniejsza jest szerokość szczeliny, tym precyzyjniej da się to uczynić. Równocześnie pomniejszanie szczeliny sprawia, iż o wiele trudniej jest zdefiniować energię fali, gdyż rozprasza się ona na znacznie większy obszar. W rezultacie iloczyn błędu definiowania energii i błędu pomiaru kierunku powinien on być większy niż pewna stała. Znaczy to, iż jest granica precyzyjności pomiaru parametrów fali która się rozchodzi. Zjawisko to posiada fundamentalne znaczenie, jeśli weźmie się pod uwagę, iż wszystkie materialnie cząstki są falą. Zjawisko to jest potwierdzeniem zasady nieoznaczoności. Dualizm korpuskularno-falowy sprawia, iż ewentualne jest obserwowanie dyfrakcji cząsteczek materialnych. Doświadczenia pokazały, iż zjawisko to może zachodzić dla elektronów oraz neutronów

By wzmocnić falę która przechodzi przez szczelinę wykorzystuje się w optyce układy kilku takich szczelin, zwane są one siatką dyfrakcyjną Efekty optyczne od wszystkich szczelin dodają się, w związku z czym zachowanie się fali uzależnione jest jedynie od stałej siatki.

Zjawisko dyfrakcji będzie zachodzić także , w momencie kiedy fale będą przechodzić przez kilka bardzo blisko siebie ułożonych warstw. Jeśli odległości pomiędzy warstwami są stałe, następne maksima fali będzie można zdefiniować taką o to zależnością:

gdzie:

d - stała siatki,

- kąt od osi wiązki światłą,

 - długość fali,

m - przyjmuje wartości od 1 do nieskończoności

Dla promieniowania rentgenowskiego zjawisko to daje możliwość obserwacji następnych warstw kryształu. W świetle widzialnym uginanie się fal na warstwach da się zauważyć jako rozproszenie światła białego na powierzchni płyty CD. Następne ścieżki mogą utworzyć, następujące po sobie warstwy, gdzie fale o przeróżnych barwach, załamują się pod przeróżnymi kątem. W rezultacie światło białe dzieli się na poszczególne kolory.

Jeśli prześledzimy zachowanie się fali, która omija przeszkodę mniejszą aniżeli 2 długości fali, zauważymy, iż fala nie reaguje na tak niewielki obiekt. Sprawia to że konieczne jest wykorzystanie krótkich fal do obserwowania małych elementów. By zaobserwować budowę krystaliczną materii, niezbędne jest wykorzystanie fal rentgenowskich. Zjawisko uginania się fal dało możliwość na rozwój krystalografii rentgenowskiej, dzięki której wykryto budowę spirali DNA. W procesie wyrobu układów scalonych stosuje się światło do malowania kształtu obwodu elektrycznego na podłożu. Zjawisko uginania się fal wymusza na producencie mikroprocesorów do wykorzystywania fal dwukrotnie krótszych aniżeli, konieczna precyzja budowy układu. Dla obwodów o dokładności 0,13m, oznacza to niezbędność wykorzystania ultrafioletu. Jeśli układy scalone będą się rozwijać zgodzie z prawem Moora, niezbędne jest wdrożenie nowoczesnych technik, które będą się opierać się na falach mniejszej długości.

Interferencja

Interferencja to inaczej zjawisko nakładania się fal jakie pochodzą z kilku źródeł. W fizyce rozróżnia się 2 typy interferencji. Optyka bardzo często rozpatruje przypadek nakładania się fal sinusoidalnych o zbliżonej częstotliwości oraz amplitudzie. Akustyka oraz badanie sygnałów jest bardziej zaciekawiona interferencją fal o złożonych kształtach

Interferencja zbliżonych fal sinusoidalnych

Wyróżnia się 2 źródła fal sinusoidalnych. Jeśli posiadają taką samą częstotliwości, wówczas cała analiza zachowania fal sprowadza się do wyliczenia fazy i amplitudy. Zależności które opisują zjawisko stają się bardzo proste.

Matematyczne podstawy

Zaburzenia, które rozchodzą się z wielu źródeł spotykają się w konkretnym punkcie P. By wyliczyć, jaka będzie amplituda fali w tym punkcie należy dodać wartości jakie wynikają z wyrażenia definiującego falę sinusoidalną. Jeśli będziemy rozpatrywać prosty przypadek nakładania się fal jakie pochodzą z 2 źródeł pewnej o długości, które są położone od punktu P w odległości d1 oraz d2 zdefiniowanych zależnością:

y(P1) = sin(t + 1) + sin(t + 2),

gdzie:

wówczas okaże się, iż dla:

1 - 2 = k

fala ta ulegnie dwukrotnemu wzmocnieniu, natomiast w momencie kiedy:

fale ulegną wygaszeniu. Wartość tą nazywa się fazą fali, ulega ona zmianie razem z odległością od źródła. Kiedy w jednym miejscu spotkają się fale o przeciwnej fazie, wówczas dojdzie do wygaszenia. Jeśli uda się skonstruować układ generujący fale dźwiękowe w przeciwnej fazie do hałasu wyprodukowanego przez jakiś przyrząd, wówczas dojdzie do całkowitego wyciszenia. Zasadę tą stosuje się w aktywnym tłumieniu hałasu (ATH).

Obserwowanie interferencji

Dla zjawiska nakładania się fal obszar rozchodzenia się fal złożony jest z elementów, gdzie zupełnie nie ma oscylacji oraz miejsc, gdzie jej amplituda ulega podwojeniu. By zauważyć maksima oraz minima interferencyjne, niezbędne jest, by źródła fal były koherentne, zatem posiadały jednakową fazę, częstotliwość i długość. Białe światło Słońca nie spełnia tych warunków, w związku z czym łatwo jest zobaczyć nakładanie się fal światła lasera. Eksperyment Younga dał możliwość na obserwowanie tego obserwację tego zjawiska dla światła białego. Przykłady doświadczalnej obserwacji nakładania się fal jakie pochodzą z 2 źródeł pokazano na rysunku.

Nakładanie się fal jakie pochodzą z 2 źródeł

Praktyczne wykorzystanie nakładania się fal

Nakładanie się fal daje możliwość na bardzo dokładny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. Światło lasera można podzielić kostką na 2 wiązki. Pierwszą z nich kładzie się na odcinku, który mierzymy, natomiast 2 wprowadza się do detektora jako wiązkę odniesienia. W rezultacie rejestrowane natężenie światła będzie wzrastać oraz maleć cyklicznie w miarę powiększania wymiarów odcinka. Długość fali może stać się wzorcem odległości, np. metra, co stosuje się w interferometrze laserowym.

Najnowsze prace nad telefonami komórkowymi 3 generacji (UMTS) doprowadziły do utworzenia pomysłu nowej anteny która opiera swą zasadę działania na zjawisku nakładania się fal. Jeśli zamiast 1 nadajnika, położymy wiele w pewnej odległości od siebie, wówczas fale zaczną się nakładać. W rezultacie stara komórka sieci komunikacyjnej podzieli się na parę obszarów, gdzie niezależnie da się przekazywać sygnały. Antena tego typu definiowana jest jako antena adaptacyjna.

Nakładanie się fal o złożonych kształtach

W akustyce i badaniu sygnałów, zaobserwować można fale o bardzo skomplikowanej budowie. Dźwięki jakie słyszy człowiek powstają w związku z nakładaniem się fal w dużym zakresie częstotliwości oraz natężenia. Nie da się w tym momencie zauważyć minimów oraz maksimów interferencyjnych. Ale nie tylko ludzki mózg, ale także nowe procesory sygnałowe mogą dokonać badania takiej fali. Rozkład fali na elementy składowe polega na założeniu - wszelkie nakładające się fale, da się określić jako nakładający się szereg fal sinusoidalnych. W matematyce takie przekształcenie nazywa się transformatorami Fourier'a. Procesory sygnałowe wykorzystują jej specjalną wersję - FFT. Badanie nakładania się fal daje możliwość na lepsze pojęcie istoty dźwięku, co zaowocowało opracowaniem formatu MP3. Dzięki transformacie FFT jest możliwe przesyłanie danych na kilku częstotliwościach, dzięki czemu ewentualne jest skonstruowanie modemu PLC.