10 Sınıf Fizik Su Dalgalarında Kırılma

Su dalgaları, enine ve boyuna dalgaların birleşimi olan özel dalgalardır. Su moleküllerinin titreşim ve yayılma doğrultusu hem dik hem paraleldir.

Su dalgaları suyun yüzeyinde hareket eder. Yüzeyde hareket eden dalgaların üst kısmı tepe, alt kısmı çukur olarak adlandırılır. Dalganın tepe veya çukur noktasının denge noktasına olan uzaklığına ise genlik denir. Tepedeki su molekülleri dalga ile aynı yönde hareket ederken, çukurdaki su molekülleri zıt yönde hareket ederek çembersel yörüngede bir tur atar. Bu durumda bir tam dalga gerçekleştikten sonra su molekülünün yer değiştirmesi sıfır olur. Ancak derinliğin dalga boyundan daha az olduğu kıyılar gibi ortamlarda dipteki sürtünme kuvvetinden dolayı dalga hareketi engellenir ve dalgaların şekli bozulur.

Su dalgasını oluşturmak için diğer dalgalarda olduğu gibi bir kaynağa ihtiyaç duyulur. Doğrusal ve paralel su dalgaları için doğrusal dalga kaynağının suya batırılıp çıkarılması gerekir. Dairesel dalgalar için ise noktasal dalga kaynağının suya batırılıp çıkarılması gerekir.

Su derinliğinin her yerinde aynı olduğu bir ortamda doğrusal dalgalar daima dalga tepesine dik doğrultuda yayılır. Dairesel dalgalar ise yine dalga tepesine dik ve yarıçap doğrultusunda, her yöne doğru devamlı genişleyen halkalar şeklinde yayılır.

Doğrusal ve Dairesel Su Dalgalarında Yansıma

Su dalgaları da yay dalgaları gibi bir engele çarpıp geri yansır. Yansımanın şekli ise dalgaların çeşidine, çarptığı engelin biçimine ve engele geliş doğrultusuna bağlıdır.

Su dalgalarının yansımasında suyun derinliği ve kaynağın frekansı sabit olduğu sürece dalgaların dalga boyu, periyodu ve yayılma hızı değişmez.

Doğrusal Su Dalgalarında Yansıma

Doğrusal engele paralel şekilde gelen doğrusal su dalgası yine aynı şekilde yansıyarak doğrusal şekilde geri yansır. Doğrusal dalgaların yayılma doğrultusu engel yüzeyinin normali ile α açısı yapacak şekilde çarpar ise yüzeyin normali ile yine aynı açıyı yaparak geri yansır. Gelen dalganın normal (N) ile yaptığı açıya gelme açısı, yansıyan dalganın normal ile yaptığı açıya yansıma açısı denir. Yansıma ve gelme açısı daima eşittir.

Parabolik çukur engele gelen doğrusal dalgalar engelden yansıdığında dairesel olarak bir noktada toplanır. Dalgaların toplandığı bu noktaya engelin odak noktası (F) denir. Odak noktasında toplanan dalgalar yine dairesel olarak yayılmaya devam eder.

Parabolik tümsek engele çarpan doğrusal dalgalar ise sanki engelin arkasındaki odaktan yayılan dairesel dalgalar gibi yansır.

🎉 Özetle parabolik engele gelen doğrusal dalgalar engelin şeklini alarak yansır.

Dairesel Su Dalgalarında Yansıma

Dairesel su dalgaları çukur engele çarptığında dalga kaynağının engele uzaklığına bağlı olarak yansırlar.

• Parabolik çukur engelin odak noktasından gelen dalgalar doğrusal dalga olarak yansır. Aşağıda görüldüğü gibi.

• Parabolik çukur engelin merkezinden gelen dairesel dalgalar, parabolik çukur engelden dairesel olarak yansıyıp engelin merkezinde toplanır. Sonrasında ise dairesel dalga olarak devam ederler. Aşağıda görüldüğü gibi.

• Dairesel dalgalar parabolik tümsek engelden yansırken ise engelin arkasındaki bir noktadan geliyormuş gibi yansır. Bu nokta daima tümsek engel ile odak noktası arasındadır. Aşağıda görüldüğü gibi.

• Parabolik çukur engelin odağında (F) oluşan dairesel dalgalar doğrusal engelden ve simetriğindeki bir kaynaktan geliyormuş gibi yansır. Simetriğindeki bu nokta aynı zamanda çukur engelin merkezidir.

Su Dalgalarının Yayılma Hızı

Dalgaların yayılma hızının sadece ortama bağlı olduğundan daha önce bahsetmiştik. Su dalgalarının hızı da ortamın bir etkisi olan derinlik ile değişir. Su dalgalarının hızını hesaplarken V=λ.f bağıntısında dalga boyu ve frekans bilinmelidir. Dalgaların frekansını ve boyunu ölçmek kolay değildir ve bunun için özel araçlar kullanılır. Dalganın frekansını ölçmek için stroboskop kullanılır. Stroboskop üzerinde eşit aralıklı yarıklar bulunan ve merkezi etrafında dönen bir araçtır.

Derin ortamdan sığ ortama geçen su dalgalarında kaynağın sabit olmasından dolayı frekans değişmezken dalga boyu küçülür. V=λ.f bağıntısında bu durum yazılır ise sığ ortama geçen dalganın hızı da küçülür. Yani V_derin > V_sığ , λ_derin> λ_sığ , f_derin=f_sığ ifadeleri yazılabilir.

Doğrusal Su Dalgalarında Kırılma

Birbirinden farklı ortamları ayıran ara kesit yüzeyine dik gelen dalgaların hızlarının azaldığını ve dalga boylarının küçüldüğünü fakat doğrultularının değişmediğini anlatmıştık. Fakat ara kesit yüzeyine 0 dereceden farklı bir açı ile gelen dalgaların ikinci ortama geçişinde doğrultusu değişir. Bu duruma su dalgalarında kırılma denir.

• Derin ortamdan sığ ortama geçen doğrusal dalgalarının ara kesit yüzeyine açısı 0 dan farklı ise dalganın önce geçen kısmı sığ ortamda daha yavaş ilerler ve dalga kırınıma uğrar. Dalga boyları küçülürken frekansları değişmez. Yani V_derin > V_sığ , λ_derin> λ_sığ , f_derin=f_sığ ifadeleri yazılabilir.
• Sığ ortamdan derin ortama geçen dalgalarda ise yine açı 0’dan farklı ise dalganın önce geçen kısmı daha hızlı ilerler ve dalganın o kısmı daha çok ilerler. Yani V_sığ < V_derin , λ_sığ < λ_derin , f_sığ = f_derin ifadeleri yazılabilir.

Doğrusal su dalgalarının kırılma hareketini analiz eder.
a) Öğrencilerin deney yaparak veya simülasyonlar kullanarak su dalgalarının kırılma hareketlerini çizmeleri sağlanır.
Su dalgalarının mercek şeklindeki su ortamından geçişi ile ilgili kırılma hareketlerine girilmez.
b) Dairesel su dalgalarının kırılması konusuna girilmez.
c) Su dalgalarının kırılma hareketi ile ilgili matematiksel hesaplamalara girilmez.

Doğrusal dalgalarının derin ve sığ ortamlarda kırılma hareketlerini incelemek için iki ayrı deney tasarlayabilir ve buna göre sonuçlarını analiz edebiliriz:

1)Derin ortamdan sığ ortama geçen doğrusal su dalgasının kırınımı:

Deney ortamında karşımıza çıkacak olan aşağıdaki görseli inceleyelim:

Bir dalga leğeni içinde derin ortam ile sığ ortamı ayıran yüzeye, derin ortamdan, yüzeyin normali ile a açısı yapacak şekilde bir doğrusal dalga gönderirsek dalgalar yüzeye değdiği anda kırılarak sığ ortama geçeceklerdir. Sığ ortama geçtiklerinde de aynen ışığın havadan suya geçtiğinde kırınıma uğradığı gibi normal ile a açısından küçük bir b açısı yaparak saparlar. Bunu dalgalar sığ ortama geçtiğinde normale yaklaşarak kırılır diye de ifade edebiliriz.

Derin ortamdan a açısı ile gelen dalga sığ ortamda normale yaklaşarak, normal ile b açısı yaparak yoluna devam eder.

Derin ortamda dalganın dalga boyu sığ ortamdaki dalganın dalga boyundan büyüktür.

Görseldeki n₁ ve n₂ derinlikleri gösterir ve n₁ n₂ den büyüktür.

Derin ortamda dalganın hızı sığ ortamdaki dalganın hızından büyüktür.

Derin ortamda ilerleyen dalganın, ayırıcı yüzeye değdiğinde yüzeyle yaptığı v açısı aynı dalganın sığ ortama geçen kısmının yüzeyle yaptığı i açısından büyüktür.

2)Sığ ortamdan derin ortama geçen doğrusal su dalgasının kırınımı:

Deney ortamında karşımıza çıkacak olan aşağıdaki görseli inceleyelim:

Bir dalga leğeni içinde sığ ortam ile derin ortamı ayıran yüzeye, sığ ortamdan, yüzeyin normali ile a açısı yapacak şekilde bir doğrusal dalga gönderirsek dalgalar yüzeye değdiği anda kırılarak derin ortama geçeceklerdir.

Sığ ortamda dalganın dalga boyu derin ortamdaki dalganın dalga boyundan daha küçüktür.

Sığ ortamdaki dalganın hızı derin ortamdaki dalganın hızından daha küçüktür.

Sığ ortamı sembolize eden n₁, derin ortamı sembolize eden n₂ den daha küçüktür.

Gelen dalganın ayracın yüzeyiyle yaptığı v açısı kırılan dalganın yüzeyle yaptığı i açısından küçüktür.

Sığ ortamda ilerleyen dalganın yüzeyin normaliyle yaptığı a açısı, derin ortamda kırınıma uğrayan dalganın normalle yaptığı b açısından küçüktür.

Uyarı: Yukarıdaki her iki durumda da frekansta herhangi bir değişim söz konusu değildir. Frekans kaynağa bağlıdır. Siz kaynağa hangi frekansla titreşim yaptırırsanız dalganın frekansı da o olacaktır.

NOT: Çizimler bana aittir. Kullanmak isterseniz &#;yorumlar&#; bölümüne not bırakmanız yeterlidir:)