Вълновата вана

Ваната

Вълновата вана е плитка стъклена вана с малко вода, осветена отгоре. Сенките на вълните се виждат на екран под нея: гребените са светли, падините – тъмни. Малко топче, което се потапя във водата, прави кръгови вълни; права пръчка прави прави вълни. Вълновата вана е класически учебен опит и се среща в много учебни материали.

Вълна, честота, дължина

• Гребен и падина са най-високото и най-ниското място на вълната.
• Честотата f казва колко пъти в секунда бъркачът потапя топчето (в херци, Hz).
• Дължината на вълната λ е разстоянието между два съседни гребена. Вълните във ваната тичат с 20 cm/s, затова:

λ = v / f

При 4 Hz дължината на вълната е 20 / 4 = 5 cm, а при 10 Hz – само 2 cm. По-висока честота – по-къса вълна.

Вълната пренася движение, не вода. Гребените тичат по ваната, а патето само се люлее нагоре-надолу на мястото си.

Две вълни се събират

Когато две вълни стигнат до едно място, водата там прави и двете движения наведнъж: височините им се събират.

• Гребен среща гребен – водата се люлее два пъти по-силно, отколкото от една вълна. Това е силно място.
• Гребен среща падина – едната вълна бута водата нагоре точно когато другата я тегли надолу. Водата почти стои. Това е тихо място.

Кое от двете се случва, зависи от разликата в пътищата: с колко едната вълна е изминала повече от другата до това място. Раздели я на дължината на вълната:

• цяло число (0, 1, 2 …) – силно място;
• цяло и половина (½, 1½, 2½ …) – тихо място.

Затова в ваната с два източника се виждат ветрило от тихи и силни ивици. При по-висока честота вълната е по-къса и тихите ивици са повече и по-гъсти.

Тихото място не е място без вълна. Изключи единия източник – и патето веднага започва да се люлее. Тишината е от две вълни, които се гасят.

Обърнатият източник

Ако вторият бъркач е горе точно когато първият е долу, казваме, че е обърнат. Тогава тихите и силните места си разменят местата: средната линия между двата източника, която беше най-силна, става тиха.

Къде отива енергията?

На тихите места енергията не изчезва. Тишината на едно място се „плаща“ с по-силно люлеене на съседното: до всяка тиха ивица има ивица, където водата се люлее двойно. Енергията просто се разпределя по друг начин.

Вълна през процеп

Права вълна идва към преграда с отвор (процеп). Всяко място в отвора се люлее и само става малък източник на вълни. Затова:

• зад тесен процеп (по-тесен от дължината на вълната) вълната излиза като полукръг – разлива се във всички посоки напред, като от нов точков източник;
• зад широк процеп вълната продължава почти право напред, а встрани е по-спокойно.

Затова една лодка встрани зад вълнолом е по-спокойна зад широк отвор, а не зад тесен. Дължината на вълната зад процепа е същата като пред него: честотата и скоростта не се менят.

Какво е опростено в симулацията

• Скоростта на вълните е постоянна, 20 cm/s. В истинска плитка вода тя зависи малко от дълбочината и от дължината на вълната.
• Стените на ваната поглъщат вълните – няма отражения.
• Водата не гаси вълните с времето.
• Патето само се люлее нагоре-надолу. Истинско плаващо тяло описва малки кръгчета и много бавно се отмества по посоката на вълните.

Положението на тихите и силните места от това не се променя.

Как се проверява твърдение

„Два източника правят вълната по-силна навсякъде“ звучи логично. За да опровергаеш думата „навсякъде“, стига едно място, където е по-тихо, отколкото от един източник. А за честно сравнение между два опита мени само едно нещо – например само дали вторият източник е обърнат – и остави патето на същото място.

Опит у дома – безопасно

• Само с възрастен или учител: плитка тава с около 1 cm вода на стабилна маса и две еднакви капки едновременно.
• Вода и ток не се смесват. Фенерче за сенките – само на батерии.
• Без мигаща светлина: бързото мигане може да предизвика пристъп.
• Малки деца никога не остават сами до вода, дори в тава или кофа.