Bài giảng Dao động và Sóng
(Phần 6)
Chương 3
Sóng tựdo
Dây thanh quản của bạn hoặc lưỡi gà kèn saxophone có thểdao động, nhưng
có khảnăng dao động đó sẽchẳng có công dụng gì nhiều nếu nhưcác dao động
không thểtr uyền tới tai người nghe bởi sóng âm. Vậy sóng là gì và tại sao chúng
tồn tại ? Hãy đặtđầu ngón tay của bạn vào giữa cốc nước và đột ngột lấy nó ra. Bạn
sẽ để ý thấy hai kết quảthật ngạc nhiên đối vớiđa sốmọi người. Thứnhất, bềmặt
phẳng lặng của nước không dễgì tr àn đều xuống lấpđầy thểtích bỏtrống bởi ngón
tay của bạn. Thay vì vậy, các gợn sóng tr ải r a, và quá trình san phẳng ra xảy r a
trong một khoảng thời gian dài, trong lúc nước tại chính giữa dao động lên xuống
so với mực nước bình thường. Loại chuyểnđộng sóng này là chủ đề của chương
này. Thứhai, bạn nhận thấy các gợn sóng nảy khỏi thành cốc, theo kiểu giống hệt
nhưquảbóng nảy khỏi bức tường. Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽnói vềcái
xảy ra với sóng có r anh giới xung quanh chúng. Cho đến nay, chúng ta hạn chế
mình với hiện tượng sóng có thểphân tích nhưthểmôi trường (ví dụ, nước) là vô
hạn và giống nhau ởmọi nơi.
Thật chẳng khó khăn gì để hiểuđược tại sao việc lấyđầu ngón tay của bạn ra
lại tạo ra các gợn sóng chứkhông đơn giản cho phép nước tr àn xuống trởlại một
cách đềuđặn. Chỗlõm ban đầu, (a), để lại phía sau ngón tay của bạn có các mặt dốc,
và nướcởlân cận chỗlõm chảy tràn xuống để lấpđầu lỗtrống. Mặt khác, nướcở
phía xa bên ngoài thoạtđầu không có cách nào biếtđược chuyện gì vừa xảy ra, vì
không có mặt dốc nào cho nó chảy xuống. Khi lỗtrống lấpđầy, nước dâng lên tại
chính giữa mang lại mộtđộng lượng hướng lên, và vượt quá, tạo r a một chỗhơi
nhô nơi có lỗtrũng ban đầu. Khu vực ngay bên ngoài vùng này bịlấy mất một số
nước của nó để hình thành chỗnhô, cho nên một cái “hào” lõm xuống được hình
thành, (b). Hiệuứng này lan r a bên ngoài, tạo ra các gợn sóng.
a/ Dìm một ngón tay vào nước, 1, gây ra một nhiễuđộng phân tán ra bên
ngoài, 2.
b/ Hai mẫu gợn sóng tròn tr uyền qua lẫn nhau. Không giống nhưcác đối
tượng vật chất, các mẫu sóng có thểchồng chất nhau trong không gian, và khi điều
này xảy ra chúng kết hợp nhau bằng cách cộng lại.
3.1 Chuyểnđộng sóng
Có ba con đường chủyếu theo đó chuyểnđộng sóng khác với chuyểnđộng
của các đối tượng cấu thành từvật chất.
1. Sựchồng chất
Sựkhác biệt dễthấy nhất là sóng không biểu hiện có bất cứthứgì tương tự
với các lực thông thường xuất hiện giữa các vật tiếp xúc nhau. Hai mẫu sóng do đó
có thểchồng chất trong cùng một vùng không gian, nhưthểhiện trong hình b. Nơi
hai sóng chạm nhau, chúng cộng vào nhau. Ví dụ, giảsửtại một nơi nhấtđịnh tại
một thờiđiểm nhấtđịnh tr ong thời gian, mỗi sóng có chóp cao 3 cm phía tr ên mực
nước bình thường. Các sóng kết hợp tạiđiểm này tạo ra chóp cao 6 cm. Chúng ta
sửdụng sốâm để biểu diễn chỗlõm tr ong nước. Nếu cảhai sóng có lõm đođược -3
cm, thì chúng kết hợp tạo ra một chỗlõm sâu hơn là – 6 cm. Một chóp +3 cm và
một lõm – 3 cm mang lạiđộ cao bằng không, tức là các sóng ngay tức khắc triệt
tiêu nhau tạiđiểmđó. Quy luật cộng này được gọi là nguyên lí chồng chất, “chồng
chất” đơn thuần là một từhoa mĩcho “cộng gộp”.
Sựchồng chất có thểxảy ra không chỉvới các sóng dạng sin nhưsóng tr ong
hình ởtrên mà với sóng có hình dạng bất kì. Các hình ởtr ang sau biểu diễn sự
chồng chất của các xung sóng. Một xung đơn giản là một sóng có thời gian tồn tại
rất ngắn. Những xung này chỉgồm một chỗnhô hay chỗlõm. Nếu bạn chạmđột
ngột vào một sợi dây phơi quần áo, bạn sẽthấy các xung chạy vềcảhai phía. Điều
này tương tựnhưcách thức các gợn sóng tr ải r a theo mọi hướng khi bạn tạo r a
một nhiễuđộng tại mộtđiểm tr ong nước. Hiện tượng tương tựxảy ra khi đầu cần
trên cây đàn piano cất lên và chạm trúng dây.
Các thí nghiệm cho đến ngày nay không bộc lộbất kì sựsai lệch nào khỏi
nguyên lí chồng chất trong trường hợp sóng ánh sáng. Đối với các loại sóng khác,
nó thường là một sựgầnđúng rất tốt cho các sóng năng lượng thấp.
Tr ong hình c, khung hình t hứ5 cho t hấy lò xo ngay đúng lúc hoàn t oàn thẳng.
Nếu hai xung vềcơbản t r iệt t iêu nhau hoàn t oàn, thì t ại sao chuyểnđộng đó hồi
phục t r ởlại ? Tại sao lò xo không thẳng hoài ?
c/ Những hình này cho thấy chuyểnđộng của sóng xung dọc theo một lò xo.
Để tạo r a xung, mộtđầu của lò xo được lắc bằng tay. Phim được quay lại, và một
loạt khung hình được chọnđể biểu diễn chuyểnđộng. 1 Một xung tr uyền sang bên
trái. 2 Sựchồng chất của hai xung dương va chạm nhau. 3 Sựchồng chất của hai
xung va chạm, một dương và một âm.
d/ Khi mẫu sóng truyền qua một con vịt cao su, con vịt vẫnởchỗcũ. Nước
không chuyểnđộng vềphía tr ước cùng với sóng.
2. Môi trường không truyềnđi cùng với sóng
Hình d cho thấy một loạt sóng nước tr ước khi nó chạm tới một con vịt cao su
(hình bên trái), vừa ngay sau khi đi qua con vịt (hình giữa) và đã đi khỏi con vịt
khoảng 1 mét (hình bên phải). Con vịtđong đưa xung quanh vịtr í ban đầu của nó,
nhưng nó không bịmang đi cùng với sóng. Điều này cho thấy bản thân nước không
chảy ra bên ngoài cùng với sóng. Nếu nó làm thế, chúng ta có thểlàm trống một
góc hồbơiđơn giản bằng cách tạo ra sóng! Chúng ta phải phân biệt giữa chuyển
động của môi tr ường (nước trong tr ường hợp này) và chuyểnđộng của mẫu sóng
đi qua môi tr ường đó. Môi tr ường dao động; sóng truyềnđi tr ong không gian.
e/ Khi xung sóng đi qua, dải ruy băng buộc vào lò xo không bịmang theo.
Chuyểnđộng của mẫu sóng hướng sang phải, còn môi tr ường (lò xo) chuyểnđộng
lên xuống, không hướng sang phải.
Tr ong hình e, bạn có thểphát hiện chuyểnđộng bên này sang bên kia của lò xo
vì lò xo có vẻmờ đi. Tại một thờiđiểm nhấtđịnh, biểu diễn bởi một hình r iêng lẻ, bạn
sẽmô t ảnhưthếnào chuyểnđộng của các đoạn khác nhau của lò xo ? Ngoài các
đoạn thẳng, có đoạn nào của lò xo có vận tốc bằng không hay không ?
Ví dụ1. Con sâu
