Meiji-kauden malleista huippuluokan sovelluksiin! Aaltojen todellinen luonne selviää mehiläisten tanssin avulla (Poikittaisaalto, pitkittäisaalto, superpositio)
Olen Ken Kuwako, tiedevalmentajasi. Jokainen päivä on uusi koe.
Aallot ympäröivät meitä kaikkialla. Meren tyrskyt, äänet ja jopa valo ovat kaikki aaltoliikettä. Vaikka näyttää siltä, että jokin liikkuu eteenpäin, kyseessä onkin kiehtova ilmiö, jossa itse väliaine vain värähtelee paikallaan. Tätä liikettä on usein vaikea havaita paljain silmin.
Tässä postauksessa sukulaisimme aaltojen visualisoinnin historiaan aina Meiji-kauden keksinnöistä nykyajan digitaalisiin työkaluihin.
Meiji-kauden viisautta: Goldsteinin aaltomalli
Tämä on Kansallisen luonnontiedemuseon kokoelmissa oleva Goldsteinin aaltomalli. Se on erittäin tarkka mekaaninen laite, joka on suunniteltu tekemään aaltoliikkeestä näkyvää.
Kun laitteen sivulla olevaa kampea pyörittää, sisällä oleva metallinen kierreakseli alkaa pyöriä. Tämä saa rivissä olevat pystysuorat tangot nousemaan ja laskemaan hieman eri tahdissa. Lopputuloksena näyttää siltä, kuin aalto kulkisi tasaisesti oikealle.
Tämä ”ajoituksen siirtäminen” on aaltoliikkeen ydin, jota kutsutaan vaiheeksi. Vaikka museoesinettä ei päässyt itse pyörittämään, on hämmästyttävää ajatella, että laite on valmistettu jo Meiji-kauden lopulla. Tuon ajan opettajat näkivät valtavasti vaivaa keksiäkseen keinoja, joilla havainnollistaa näkymätöntä fysiikkaa oppilailleen.
Digitaalinen kokeilu: Mehiläiset näyttävät tien aaltojen maailmaan
Nykyään voimme käyttää tietokoneita aaltojen havainnollistamiseen vapaammin kuin koskaan. Tein Scratch-ohjelmalla digitaalisen työkalun, jossa mehiläiset auttavat ymmärtämään poikittaisen ja pitkittäisen aaltoliikkeen eron.
Mehiläiset ja poikittainen aalto
Ensimmäisenä on vuorossa poikittainen aalto, joka on se perinteinen aallon muoto, jonka me kaikki tunnemme.
Katso tarkasti yksittäistä mehiläistä parvessa. Ne eivät liiku eteenpäin, vaan lentävät vain ylös ja alas omalla paikallaan. Koska jokainen mehiläinen aloittaa liikkeensä hitusen myöhemmin kuin naapurinsa, syntyy vaikutelma oikealle etenevästä aallosta.
https://scratch.mit.edu/projects/205914073/
Pysäytä hetki ja ymmärrä pitkittäinen aalto
Seuraavaksi tarkastellaan pitkittäistä aaltoa (tiivistymisaaltoa), jollaisena esimerkiksi ääni etenee.
Pitkittäisessä aallossa väliaine värähtelee samassa suunnassa kuin aalto etenee, mikä tekee siitä vaikeasti hahmotettavan. Ratkaisin tämän ohjelmassa niin, että mehiläinen katsoo oikealle, kun se heilahtaa oikealle, ja vasemmalle, kun se heilahtaa vasemmalle.
Kun painat stoppia, tilanne selkiytyy heti. Kohdat, joissa oikealle katsovat mehiläiset pakkautuvat yhteen, ovat tiivistymiä, ja kohdat, joista vasemmalle katsovat kaikkoavat, ovat harventumia. Lisäsin myös painikkeen, joka muuntaa tämän pitkittäisen liikkeen poikittaiseksi aaltokäyräksi – matemaattinen kikka, joka helpottaa monimutkaisen ilmiön visualisointia.
Videoita aaltojen ihmeellisestä maailmasta
Simulaatioiden lisäksi on tärkeää nähdä aallot tositoimissa. Aalloilla on upeita ominaisuuksia, kuten heijastuminen esteestä tai yhteisvaikutus eli interferenssi. Tutustu näihin videoihin ja syvennä ymmärrystäsi.
Heijastuminen avoimesta päästä
Aalto heijastuu takaisin päädystä, joka saa liikkua vapaasti.
Heijastuminen kiinteästä päästä
Kun aalto kohtaa seinän, johon se on ankkuroitu tiukasti, se heijastuu takaisin ylösalaisin kääntyneenä.
Superpositioperiaate
Mitä tapahtuu, kun kaksi aaltoa kohtaa? Ne voivat joko vahvistaa toisiaan tai kumota toisensa kokonaan.
Pitkittäinen vs. poikittainen aalto
Klassinen ”Slinky-jousi” näyttää eron näiden kahden välillä käytännössä.
Ääniaallot oskilloskoopilla
Näkymätön ääni (pitkittäinen aalto) muuttuu näkyväksi aaltomuodoksi näytöllä.
Huojunta
Kun kaksi lähes saman taajuista ääntä soi yhtä aikaa, syntyy jännittävä sykkivä ääni-ilmiö.
Ota yhteyttä ja lue lisää
Tiede kuuluu kaikille! Kerään ja jaan vinkkejä hauskoihin kotikokeiluihin ja selkeisiin fysiikan selityksiin. Tutustu ihmeessä tarkemmin: ・Suosittu tiedeblogini on nyt myös kirjana. Katso lisätiedot täältä. ・Lue lisää minusta, Ken Kuwakosta, täältä. ・Yhteistyöpyynnöt (luennot, työpajat, TV-konsultointi jne.) tämän linkin kautta. ・Seuraa uusimpia päivityksiäni X:ssä!
Tiedevinkkien YouTube-kanava tarjoaa kokeiluvideoita joka makuun!
