Fale poprzeczne i podłużne

1. 1

   Rozciągnij długi sznur i machnij jego końcem w górę. Po sznurze pobiegnie garb, a każdy kawałek sznura, do którego garb dociera, unosi się i opada.

2. 2

   Zauważ kierunki: fala biegnie poziomo, wzdłuż sznura, ale kawałki sznura drgają pionowo, w górę i w dół. Te dwa kierunki są do siebie prostopadłe.

3. 3

   Na wykresie fali poprzecznej garby i doliny to miejsca, w których sznur akurat jest wychylony w górę albo w dół ze swojego spokojnego położenia.

4. 4

   Tak samo zachowuje się fala na gumowym wężu oraz — w przybliżeniu — fala na powierzchni wody: kaczka buja się w górę i w dół, a fala biegnie poziomo.

5. 5

   Poprzeczne są też sejsmiczne fale S, powstające przy trzęsieniach ziemi.

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.

1. 1

   Połóż sprężynę slinky na stole, przytrzymaj daleki koniec i pchnij swój koniec wzdłuż sprężyny, do przodu i z powrotem.

2. 2

   Po sprężynie pobiegnie zagęszczenie — miejsce, gdzie zwoje są chwilowo ściśnięte — a za nim rozrzedzenie, gdzie zwoje są rozciągnięte.

3. 3

   Zwoje drgają wzdłuż tego samego kierunku, w którym biegnie fala: do przodu i do tyłu, nie w bok.

Wszystkie 3 kroków odsłonięte.

1. 1

   Rozciągnij sprężynę slinky na podłodze na długość dwóch, trzech metrów. Kolega trzyma daleki koniec nieruchomo — sprężyna będzie naszym ośrodkiem.

2. 2

   Machnij swoim końcem szybko w bok i z powrotem. Po sprężynie biegnie wyraźny garb — zwoje wychylają się w bok, prostopadle do sprężyny, a garb pędzi wzdłuż niej. To fala poprzeczna.

3. 3

   Teraz uspokój sprężynę i pchnij swój koniec wzdłuż niej, do przodu i z powrotem. Tym razem żaden garb nie powstaje — zamiast tego wzdłuż sprężyny biegnie ściśnięta paczka zwojów, a za nią odcinek rozciągnięty. To fala podłużna: zagęszczenie i rozrzedzenie w podróży.

4. 4

   Przyjrzyj się pojedynczemu zwojowi w obu próbach. Przy fali poprzecznej drgał w bok, przy podłużnej — do przodu i do tyłu. Ale w obu przypadkach został na swoim miejscu: fala przeniosła energię, nie zwoje.

Wszystkie 4 kroków odsłonięte.

1. 1

   Gdy w głębi Ziemi pękają skały, w skałach ruszają jednocześnie dwie fale: podłużna fala P (zagęszczenia skał) i poprzeczna fala S (skały drgają w poprzek). Fala P jest szybsza — w skorupie ziemskiej biegnie około 8 km/s, a fala S około 4 km/s.

2. 2

   Stacja sejsmologiczna najpierw rejestruje więc falę P, a dopiero po chwili dociera fala S. Załóżmy, że fala S przyszła 60 s po fali P. Ile czasu zajmuje każdej fali droga $d$ do stacji?

   $$t_P = \frac{d}{8\ \tfrac{\text{km}}{\text{s}}}, \qquad t_S = \frac{d}{4\ \tfrac{\text{km}}{\text{s}}}$$
3. 3

   Różnica tych czasów to właśnie zmierzone 60 s. Fala S na każdym kilometrze traci do fali P coraz więcej, więc im dalej epicentrum, tym większa różnica.

   $$t_S - t_P = \frac{d}{4} - \frac{d}{8} = \frac{d}{8} = 60\ \text{s}$$
4. 4

   Wystarczy pomnożyć obie strony przez 8, żeby dostać odległość epicentrum od stacji.

   $$d = 8\ \tfrac{\text{km}}{\text{s}} \cdot 60\ \text{s} = 480\ \text{km}$$

Wszystkie 4 kroków odsłonięte.