1. Podział fal

Ruch falowy jest jednym z najczęściej spotykanych rodzajów ruchów w fizyce. Ruch ten odpowiada za emisję głosu, rozchodzenie się światła, ruchy oscylacyjne cząsteczek, ludzką świadomość. Istnieją nawet najprawdopodobniej (choć jeszcze nie zostało to jednoznacznie potwierdzone eksperymentalnie) fale grawitacji.

Z punktu widzenia człowieka fale znajdują szereg zastosowań, głównie technicznych i związanych z komunikacją, ale także bardziej subtelnych, czego przykładem jest muzyka. Zjawiska falowe pozwalają nam porozumiewać się na bardzo dużych dystansach, nasłuchiwać sygnałów dochodzących z przestrzeni kosmicznej, lokalizować podwodne przeszkody, jak i obiekty na pozór dobrze ukryte przed naszym wzrokiem.

We wstępie dokonam podziału fal na fale mechaniczne: związane z emisją dźwięku oraz innymi zaburzeniami falowymi, które rozchodzić się mogą jedynie w ośrodku sprężystym, oraz cale widmo fal elektromagnetycznych, obejmujące zarówno fale radiowe (najdłuższe), fale odpowiedzialne za ciepło, mikrofale, fale widzialne oraz tzw. promieniowanie wysokich energii - ultrafiolet, X, Gamma- krótkie fale o dużych częstościach.) Wszystkie te fale mają cechę wspólną - mogą rozchodzić się w próżni, bez obecności ośrodka, i mają tam stałą prędkość równą prędkości światła.

  1. Fale w przyrodzie

Fale różnych rodzajów występują tak powszechnie a naturze, zarówno na samej Ziemi, jak i w przestrzeni kosmicznej, że w pracy tej ograniczam się jedynie do podania najbardziej elementarnych przykładów:

    • Fale mechaniczne w skorupie ziemskiej, związane z jej ruchami tektonicznymi - inaczej zwane falami sejsmicznymi. Pozwalają przewidywać trzęsienia ziemi oraz wybuchy wulkanów.
    • Fale morskie i oceaniczne, powodowane przez wiatr i zmiany ciśnienia mające miejsce nad zbiornikami wodnymi oraz przez ruchy pływowe.
    • Promieniowanie Słońca, obejmujące głównie światło widzialne, ultrafiolet, podczerwień i fale radiowe. Dają światło, mogą tez być szkodliwe dla skóry (fale ultrafioletowe.)
    • Promieniowanie kosmiczne, promieniowanie elektromagnetyczne radioźródeł, gwiazd, pulsarów i inne źródła kosmiczne. Wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne może stanowić dla astronautów znajdujących się poza atmosfera Ziemi. Według oszacowań, wybuch gwiazdy supernowej (któremu towarzyszy emisja olbrzymiej energii w całym zakresie widma) mógłby stanowić zagrożenie dla życia na Ziemi.
    • Fale dźwiękowe powstałe na skutek falowania wód, wodospadów, uderzeń piorunów, trąb powietrznych; odgłosy zwierząt i ludzka mowa.
  1. Fale mózgowe

Fale mózgowe są bezpośrednio odpowiedzialne m.in. za myślenie, przewodzenie impulsów nerwowych w mózgu, poczucie upływu czasu. Występują pod postacią częstotliwości drgań falowych, podawanej w cyklach na sekundę (Hz). Dzieli się je w zależności od częstotliwości oraz charakterystycznych stanów, w jakich występują, na: 

  • Fale Beta (14 - 30 Hz) - stan jawy, myślenie, kojarzenie faktów, emocje,
  • Fale Alfa (10 - 14 Hz) - podwyższona koncentracja, wewnętrzne wyciszenie, spokój, relaks,
  • Fale Theta (4 - 7 Hz) - sen, medytacja, fenomeny typu "sen świadomy",
  • Fale Delta (0,5 - 4 Hz) - głęboki sen

Inne ważne z punktu widzenia medycyny fale to fale sprężyste tworzące się podczas przetaczania się krwi w naczyniach krwionośnych, podczas gdy krew wędrująca w kierunku do aorty i tętnicy rozszerza je chwilowo. Ma miejsce mechaniczne odkształcenie przesuwające się wzdłuż naczyń krwionośnych, powodujące tzw. falę tętna o prędkości kilkakrotnie większej niż prędkość przepływu krwi (ok. 0,5 m/s.)

  1. Fale wytwarzane przez cywilizację ludzką

Zanim przejdę do opisu konkretnych urządzeń działających przy wytwarzaniu lub odbiorze fal, wymienię kilka typowych źródeł ruchu falowego, które zaistniały na Ziemi na skutek postępu technicznego ludzkości:

    • Oświetlenie - lampy rtęciowe, żarówki, neonówki,
    • Fale radiowe, które pojawiły się wraz z powstaniem radia (Marconi, 1897 rok),
    • Dźwięki maszyn i instrumentów muzycznych,
    • Produkcja ultradźwięków,
    • Promieniowanie laserowe (koherentne, spójne źródła światła widzialnego)
    • Fale mechaniczne wywołane wybuchami w kamieniołomach, eksplozjami bomb.

5. Urządzenia oparte na zjawiskach falowych

Większość sprzętów opartych na zjawiskach falowych to znane nam dobrze urządzenia użytku codziennego, np. kuchenka mikrofalowa, która jest w istocie generatorem mikrofal o odpowiedniej długości (ok. 0,0001 do 0,3 m.) Często używamy ich, nie zdając sobie dokładnie z zasady ich działania. Inne urządzenia bazujące na wykorzystaniu fal to baterie słoneczne, oparte na ogniwach absorbujących energie promienistą i przetwarzających te energie na prądy elektryczne, lub wynalezione stosunkowo niedawno lampy krótkofalowe emitujące światło o długościach fali rzędu 1000 nm. Lampy takie znajdują głównie zastosowanie w leczeniu schorzeń skóry, reumatyzmu, lumbaga, bólów mięśniowych i nerwobóli. Nowością są suszarki podczerwone - specjalne lampy służące do osuszania włosów zamiast suszarek opartych na działaniu silnego strumienia gorącego powietrza. Suszarki podczerwone są mniej szkodliwe dla włosa, są ciche, nie tworzą wirów powietrza, nie wciągają włosów, są precyzyjniejsze, istnieje w ich przypadku możliwość zmiany temperatury w bardo szerokim zakresie.

Do najpopularniejszych urządzeń telekomunikacyjnych opartych na falach zalicza się:

    • Radiofonia, telewizja, rozgłośnie radiowe, radiotelefony, krótkofalówki przenośne, CB-radia - urządzenia wynalezione bardzo dawno temu, ale do dziś intensywnie wykorzystywane w komunikacji ze względu na łatwość dostępu i niskie koszta w porównaniu z telewizją satelitarną czy telefonią komórkową. Typowy nadajnik radiowy złożony jest z anteny której drgania o równej amplitudzie fali emitują fale elektromagnetyczne odpowiedniej długości (fale radiowe), i generatora wielkich częstości, produkującego te drgania. Równie ważnym elementem jest na ogół modulator, czyli urządzenie, którego drgania o amplitudzie porównywalnej z amplitudami zwykłych fal głosowych nakłada się na mniejsze drgania z generatora fal, łącząc oba sygnały i umożliwiając ich przesyłanie na duże odległości, a także pozwalając na odwrotny proces - demodulację i uzyskanie fal dźwiękowych - w odbiorniku fal radiowych. Mówiąc najbardziej ogólnie, zadaniem nadajników i odbiorników radiowych jest emisja lub odbiór fal elektromagnetycznych rozchodzących się w eterze oraz przetwarzanie ich przebiegów elektrycznych na dźwięk i odwrotnie.
    • Telefony komórkowe (działają przy wykorzystaniu komunikacji satelitarnej, przekazywanie sygnały odbywa się przy pomocy sieci równomiernie rozmieszczonych na ziemi stacji nadawczo - odbiorczych.)
    • Satelity badawcze i wojskowe, telewizja satelitarna. Typowe satelity telekomunikacyjne służą do emitowania fal radiowych i przenoszenia ich pomiędzy stacjami leżącymi na Ziemi. Osobnym rodzajem sztucznych satelitów są satelity szpiegowskie oraz meteorologiczne; w przypadku tych ostatnich fale wykorzystuje się do przesyłania na Ziemie informacji o stanie atmosfery lub lokalnym stanie pogody.
    • Radioteleskopy działające na zasadzie działania typowych nadajników i odbiorników radiowych, ale przeznaczone zwykle do odbioru fal emitowanych przez obiekty kosmiczne, jak gwiazdy, Słońce, pulsary. Radioteleskop standardowo wyposażony jest w czaszę, tzw. antenę paraboliczną, skupiającą fale radiowe i odbijającą je do detektora. Następnie taka wiązka falowa ulega wzmocnieniu, przekazywana jest dalej i zamieniana na impulsy elektryczne, wreszcie poddawana obróbce i analizie komputerowej.
    • Radary - urządzenia bazujące na właściwościach prostoliniowego rozchodzenia się fal radiowych i regułach ich odbicia. Pomocne są w sytuacji, gdy należy ustalić pozycje dalekich obiektów, jak przykładowo samoloty przeciwnika, statki, różne budynki i urządzenia naziemne. Nadajniki radarowe emitują fale ultrakrótkie (UKF) powstające w specjalnie dobranym generatorze wysokich częstotliwości o mocy znacznie większej niż w przypadku zwyczajnych radionadajników, liczonej w setkach kilowatów. Fale takie muszą być skupiane w spójną wiązkę za pomocą czasy parabolicznej. Antena wykonuje obrót z dużą prędkością, skutkiem czego wiązka jest położona równolegle i skutecznie może przeszukiwać cale otoczenie; trafiając na odpowiednia przeszkodę ulega następnie odbiciu. Ze względu na duża moc i spójność nie rozprasza się i może odbić się jako echo, wracając w kierunku nadajnika i przynosząc pożądane informacje. Do radaru takiego zazwyczaj podłączony jest ekran oscyloskopu, na którym wiązka zamieniona na przebieg elektryczny zaznacza położenie znalezionego obiektu w postaci świecącego odcinka, zataczającego krąg wokół środka monitora. Radar znalazł zastosowanie głównie w wojskowości.
    • Inne militarne zastosowanie fal (mikrofal) to opracowywany wciąż generator fal dużej częstości, który z założenia ma być bronią działającą na zasadzie produkcji silnych fal elektromagnetycznych, będących w sanie całkowicie unieszkodliwić systemy elektroniczne, satelitarne i radionadajniki wrogiego mocarstwa.

Najważniejsze medyczne zastosowania ruchu falowego to: 

  • Ultrasonograf działa na zasadzie odbicia fal ultradźwiękowych na granicach pomiędzy badanymi narządami wewnętrznymi i tkankami (wszędzie tam, gdzie istnieje konieczność zbadania struktury narządu, a nie jest to bezpośrednio możliwe.) Badanie ultrasonografem (USG) udziela lekarzom ważnych informacji o stanie organizmu pacjenta, zmianach chorobowych, urazach i patologiach.
  • Ekran rentgenologiczny zbudowany jest z powłoki nasyconej materiałem fluorescencyjnym, który zaczyna świecić gdy pada na niego promieniowanie rentgenowskie (X.) z przedziału od 0,1 pm do kilkudziesięciu nm. Służyć może także w diagnostyce medycznej.

Pozostają jeszcze do omówienia mechaniczne generatory dźwięków i ultradźwięków, takie jak:

  • Sonar- (ang. Sound Navigation and Ranging) - inaczej: hydrolokator - aparatura zdolna do wykrywania przeszkód podwodnych oraz obiektów takich jak lodzie podwodne. Działa na zasadzie emisji fal naddźwiękowych i następnie ich odbiciu i analizie kształtu fali odbitej.
  • Piszczałki i gwizdki ultradźwiękowe, urządzenia wykorzystujące drgania przepływającego przez cienkie rurki powietrza, będące źródłem fal ultradźwiękowych. Służą głównie do tresury psów myśliwskich i policyjnych.
  • Generatory piezoelektryczne i magnetostrykcyjne ultradźwięków. W pierwszym przypadku wymagane drgania powstają na skutek drgań mechanicznych specjalnych kryształów pod wpływem przyłożonego do ich ścian równoległych napięcia elektrycznego. Kryształ piezoelektryczny ma tę własność, że szybko kurczy się przy napięciu, emitując fale naddźwiękowe mające wiele zastosowań w nauce, technice i medycynie. Podobny efekt uzyskiwany jest w przypadku magnetostrykcji - emisji fal przy szybko zmieniającym się polu magnetycznym.
  1. Zjawiska falowe w muzyce

Wszystkie instrumenty muzyczne związane są z emisją dźwięków z zakresy słyszalnego dla ucha ludzkiego. Pod względem metody wytwarzania fal głosowych w instrumentach można je podzielić na trzy zasadnicze grupy:

  • Instrumenty dęte - wykorzystują dźwięki emitowane przez drgające powietrze o odpowiednio nadanym kształcie słupa, nalezą tu m.in. trąbki, saksofon,
  • Instrumenty perkusyjne, uderzane - zalicza się tu perkusja i wszelkiego typu bębny,
  • Instrumenty strunowe - gra na nich polega na powodowaniu drgań mechanicznych w cienkich, sprężystych strunach; drgania te następnie przenoszone są do ośrodka (powietrza) w postaci dźwięków. Należą tu przykładowo gitary, wiolonczele, harfy.

Osobne, lecz blisko związane z tematem zagadnienie stanowi zapis wyemitowanego dźwięku. Jednym z pierwszych nośników muzyki, a później i zapisanego elektromagnetycznie obrazu, były taśmy kasetowe. Zapis był na nich dokonany na specjalnej warstwie tlenku żelazowego. Dziś, ze względu na szybki proces zużywania się zapisu, są praktycznie nie produkowane na duża skalę. Także pierwsze, "czarne" płyty analogowe zostały zastąpione najpierw przez klasyczne płyty CD i DVD. Obecne tendencje to zapis elektroniczny, w postaci plików zrozumiałych dla komputera lub małych, przenośnych odtwarzaczy - zapis na komputerowych kościach pamięci, w postaci liczb które system interpretuje jako określone dźwięki a następnie wysyła do portów karty dźwiękowej, gdzie są przesyłane do głośników i zamienione na drgania akustyczne membrany głośnikowej. Na podobnej zasadzie opiera się modne dziś tworzenie muzyki elektronicznej za pomocą syntezatorów. W tych urządzeniach muzyka komponowana jest nie na podstawie drgań powietrza, ale gotowych sygnałów w formie elektronicznej.