Dlaczego fale na wodzie wydają się być kuliste?

Pytanie

Pyta Jakub

Dlaczego po wrzuceniu kamienia do wody powstają fale w kształcie okręgu?

Odpowiedź

Odpowiada Damian Zdulski

Tak naprawdę fala powstająca po wrzuceniu kamienia do wody nie jest kulista. Blisko miejsca wrzucenia woda jest mocno wzburzona, zatem wyraźnie widoczne jest dopiero czoło fali w znacznej odległości, gdzie nieregularności w kształcie czoła fali stają się coraz mniejsze i stąd powstała fala wydaje się przyjmować kształt okręgu.

Aby wyjaśnić efekt zmniejszania nieregularności czoła fali wraz z odległością od źródła musimy najpierw zrozumieć jak rozchodzą się fale. Otóż ich propagację opisuje zasada Huygensa, mówiąca że każdy punkt ośrodka do którego dotarło czoło fali staje się źródłem nowej fali kulistej. Położenie nowego czoła fali, na skutek interferencji, będzie dane przez powierzchnię styczną do powierzchni tych wszystkich fal cząstkowych.  Działanie tej zasady ilustruje aplet.

Dlatego na przykład kij uderzający w wodę będzie generował płaskie fale prostopadle do osi symetrii oraz kuliste fale na jego końcach. Gdy fala się rozchodzi,  fale płaskie zachowują swoje rozmiary, natomiast fale kuliste będą rosnąć. Stąd w znacznej odległości wypadkowa fala będzie wyglądać jak fala kulista.  Tak samo będą zanikać odstępstwa od kulistego kształtu dla fal generowanych przez dowolny inny obiekt o skończonym rozmiarze.

Zasada Huygensa stosuje się do dowolnych fal dla których spełniona jest zasada superpozycji. Zatem analogiczny efekt będzie także występował dla fal elektromagnetycznych, dźwiękowych, itp.