Forta si Gratie

Fenomenul de unda. Apa, sunetul si lumina ca unde.

- Prin UNDA se intelege fenomenul de propagare a unei oscilatii intr-un mediu elastic.
- UNDA reflecta modul in care o marime fizica oscileaza dupa un tipar sinusiodal intr-o marja ciclica de valori.
- UNDA este o reprezentare grafica a unor oscilatii de stare care pe o axa timp-spatiu arata ca niste valuri.

Dupa cum putem constata la o analiza atenta a enunturilor de mai sus, elementul comun al celor 3 definitii ale undei ne aduc un indiciu vital despre natura fenomenului de unda. Unda nu este despre materie ci despre energie. Energia este cea care calatoreste dupa tiparul undei, materia doar intra in contact cu energia undei dupa anumite tipare de interactiune.

Cele mai cunoscute fenomene de unda sunt:
- valurile oceanului,
- sunetul unei boxe audio,
- lumina soarelui.

Pentru a intelege ca nu materia calatoreste sub forma de unda, ci energia, vom analiza fiecare din cele 3 cazuri in parte..

1. Valurile oceanului
Particulele de apa dintr-un val oceanic nu inainteaza odata cu valul. Ele doar oscileaza in plan vertical si antreneaza progresiv particulele vecine intr-o miscare oscilatorie VERTICALA, care la randul lor antreneaza particulele vecine, si asa mai departe. Acest fenomen se datoreaza elasticitatii apei ca mediu de propagare a unei energii mecanice initiale. Practic particulele de apa care oscileaza transfera mediului elastic din imediata lor vecinatate energia oscialtiei, acest mediu transmite mai departe mediului din imediata lui vecinatate aceeasi energie si tot asa mai departe, practic energia oscilatiei ajungand sa se propage din aproape in aproape, antrenand particule de materie din ce in ce mai indepartate in miscarea oscilatorie verticala care privita la nivel de ansamblu arata ca o sinusoida care se propaga. Un val care inainteaza in plan orizontal este imaginea de ansamblu a unor particule de care care oscileaza in plan vertical, antrenand particulele vecine in aceeasi miscare verticala.

2. Sunetul unei boxe audio
Sunetul este constituit din vibratii ale aerului care se transmit prin aer, aerul fiind in acest caz mediul elastic prin care unda sonora se propaga din aproape in aproape. Sunetul este un fenomen de unda care, spre deosebire de valurile marii, se manifesta prin oscilatii ale mediului gazos in acelasi plan si pe aceeasi directie in care inainteaza unda. In vidul cosmic, sunetul, neavand un mediu fizic de propagare, nu se transmite. O boxa producand un sunet audibil aici, in atmosfera terestra, in spatiul cosmic este complet inaudibila.

3. Lumina soarelui ca radiatie electromagnetica
Acesta este un tip de unda aparte, deoarece energia de natura electromagnetica se propaga in absenta unui mediu fizic elastic care sa se angreneze intr-o miscare oscilanta. Practic lumina se propaga in vid sub forma de unda electromagnetica, inaintand cu viteaza de 300.000 de km/s.

Unda electromagnetica este o unda compusa din oscilatii ale campurilor Electric si Magnetic asociate, care se propaga in spatiu in toate directiile. In fizica, notiunea de camp se refera la o forta aferenta unei regiuni din spatiu cu valori in fiecare punct din acel spatiu. Campul electromagnetic dintr-o anumita regiune a spatiului este sesizabil ca si forta actionand in fiecare punct din regiunea respectiva asupra a ceva care poate percepe acea forta. Aparitia campurilor electric si magnetic precum si fluctuatia lor este in general provocata de o sarcina electrica aflata in miscare. Propagarea oscilatiilor electromagnetice (EM) este posibila prin faptul ca un camp electric care se modifica in timp intr-un anumit punct A din spatiu genereaza in imediata vecinatate a lui - sa spunem intr-un punct vecin, B - un camp magnetic fluctuant. Acest camp magnetic din punctul B care fluctueaza determina aparitia intr-un punct vecin C a unui camp electric care la randul lui fluctueaza. Procesul propagarii energiei de camp electro-magnetic se petrece astfel din aproape in aproape prin generarea celor doua campuri unul din celalalt, fara a solicita prezenta fizica a unui mediu elastic care sa antreneze particule in miscare oscilatorie.

Reprezentarea in plan a formarii si propagarii undelor de camp electro-magnetic:

Reprezentare tridimensionala in sectiune (E - campul electric, B - campul magnetic):

Reprezentare tridimensionala in ansamblu (E - campul electric, B - campul magnetic):

Reprezentarea grafica simplificata a fenomenului de unda E-M:

Reprezentarea sub forma de nor electromagnetic:

Campul electric este un fenomen static. Este acel camp (stare de existenta a spatiului) care face, spre exemplu, ca parul sa stea ridicat atunci cand se afla sub influenta unor sarcini electrice. Campul magnetic de asemenea este static (reflectand o alta stare de existenta a spatiului, cu o anumita influenta asupra structurilor materiale - precum in cazul magnetului care atrage obiecte metalice). In schimb, campul electro-magnetic este format dintr-un camp electric si un camp magnetic care se genereaza unul pe celalalt atunci cand variaza in intensitate, aceasta combinatie propagandu-se prin spatiu si timp sub forma de unda (radiatie) electromagnetica.

Desi nu exista un mediu fizic in spatiul vid care sa poata fi antrenat in vederea propagarii undelor electromagnetice, exista totusi un fond electromagnetic al vidului spatial, avand sarcina electrica C (= 4/3 atto-Coulombs) si sarcina magnetica W (= 500 atto-Webbers). Aceasta inseamna ca spatiul vid este penetrat de un mediu non fizic, cu proprietati electrice si magnetice, prin intermediul caruia putem spune ca radiatia electromagnetica se poate incadra la fenomene oscilatorii si se poate propaga la distanta in regim de unda.
 

Generic, fenomenul de unda MECANICA poate fi reprezentat grafic in felul urmator:

ENERGIA undei = cantitatea de energie transportata de o unda.

PUTEREA undei = cantitatea de energie vehiculata de unda in unitatea de timp.
P= E/t

INTENSITATEA undei = puterea undei pe unitatea de suprafata SAU energia transferata de unda unei unitati de suprafata intr-o unitate de timp.
I = P/s = E/(S*t)

Undele care se propaga intr-un mediu FIZIC elastic descresc treptat in intensitate datorita pierderilor de energie mecanica sub forma de forte de frecare intre particule (mediul de propagare avand o densitate nenula).

Practic, daca ne raportam la un val, acesta poarta cu el o anumita energie, insa noi nu o simtim in cazul in care plutim pe suprafata valului, desi aceasta energie poate fi una foarte mare. Valurile tsunami nu se simt in largul oceanului. Ele pot trece pe sub un vapor aproape tacute si neremarcate ca si volum de apa dezlocuit, insa cand valul izbeste frontal o suprafata aflata in calea propagarii sale, cum ar fi tarmul sau un vapor aflat la tarm, abia atunci avem de-a face cu o mostra din energia valului, sub forma de amploare a transferului ei catre un obiect material (obstacolul frontal) pe o anumita durata de timp.

Atat INTENSITATEA cat si PUTEREA si respectiv ENERGIA undelor sunt marimi care depind de frecventa undei (f=1/T reprezentand numarul de repetitii intr-o secunda ale unei oscilatii complete, T fiind perioada de timp in care se deruleaza o singura oscilatie completa), totodata depind de viteza de inaintare a undei (v) precum si de amplitudinea undei (A). Frecventa (f) si lungimea de unda (λ) sunt strans legate intre ele, cu cat este mai mare lungimea de unda, cu atat mai mica fiind frecventa (si reciproc). Mai exact λ=v/f=v*T, ceea ce inseamna ca v=λ*f=λ/T.

Retinem formula intensitatii undei in functie de marimile discutate: I = ρω²A²v ⁄ 2, unde:
- ρ este densitatea mediului de propagare a undei
- ω este viteza unghiulara de oscilatie a undei
- A este amplitudinea undei
- v este viteza de inaintare a undei
 

In cazul undelor EM (electromagnetice) - care la nivel de foton sunt guvernate de legitatile cuantice (legile fizicii subatomice) - fenomenul se complica. Energia este data exclusiv de frecventa cuantei de lumina, viteza de propagare fiind constanta (300.000 km/s in vid) iar amplitudinea oscilatiilor de camp electro-magnetic asociate unui foton fiind aceeasi pentru orice foton, si anume anume constanta lui Plank (h). Formula energiei fotonului este E=hf.

In cazul in care, in loc de UN FOTON avem de-a face cu UN FLUX DE FOTONI, putem obtine unde electromagnetice cu intensitati (amplitudini) diferite la o aceeasi frecventa, sesizabile la nivel de experienta macro sub forma de lumina laser, extrem de intensa, extrem de precisa, capabila sa disloce structurile materiale. Intensitatea razei laser este proportionala cu patratul amplitudinii undei EM rezultante.

O unda luminoasa cu intensitate mare din spectrul vizibil pe o suprafata perpendiculara propagarii sale se va manifesta luminand puternic suprafata, fiind asadar o lumina stralucitoare. O intensitate mica a undei luminoase din spectrul vizibil va lumina mai slab suprafata, fiind o lumina mai palida. Laserele pun cel mai bine in evidenta fenomenul existentei luminii concentrate, obtinute prin generarea unei unde luminoase de mare amplitudine ca urmare a combinarii coerente (in faza) a undelor electromagnetice aferente mai multor fotoni.