Dalgalar

Dalga nedir?

Durgun bir suya taş atıldığında halkalar biçiminde yayılan titreşimler görülür. Bir ortamda yayılan titreşime dalga denir. Dalganın en önemli özelliği, enerjiyi taşıması ama maddeyi taşımamasıdır: denizdeki bir şamandıra dalgalarla birlikte kıyıya gitmez, yerinde aşağı yukarı salınır. Stadyumdaki "Meksika dalgası" da böyledir: seyirciler yerinden kalkıp oturur ama dalga tribünleri dolaşır.

Dalgalar iki biçimde sınıflandırılır:

• Titreşim doğrultusuna göre: Ortamın tanecikleri yayılma doğrultusuna dik titreşiyorsa enine dalga (ip dalgası, su yüzeyi dalgaları, ışık), yayılma doğrultusunda ileri geri titreşiyorsa boyuna dalga (ses, bir yayın ucu ileri geri itildiğinde oluşan sıkışma–genleşmeler) denir.
• Ortam gereksinimine göre: Yayılmak için madde gerektiren dalgalar mekanik dalgadır (ses, su, yay ve deprem dalgaları). Boşlukta da yayılabilen dalgalar elektromanyetik dalgadır (ışık, radyo, mikrodalga, X-ışınları).

Tek bir sarsıntıyla oluşan dalgaya atma, düzenli aralıklarla art arda oluşan dalgalara periyodik dalga denir.

Dalganın temel büyüklükleri

• Genlik (A): Denge konumundan en büyük uzaklık. Dalganın taşıdığı enerji genlikle artar (genliğin karesiyle orantılıdır).
• Dalga boyu (λ): Ardışık iki tepe (ya da iki çukur) arasındaki uzaklık; bir tam dalganın uzunluğu.
• Periyot (T): Bir tam dalganın oluşması için geçen süre; birimi saniye.
• Frekans (f): Bir saniyede oluşan dalga sayısı; \(f = 1/T\), birimi hertz (Hz).
• Hız (v): Dalganın birim zamanda aldığı yol. Bir periyotta dalga bir dalga boyu ilerler:

Dalgaların en çok sorulan ilkesi şudur: frekansı kaynak, hızı ortam belirler. Bir dalga bir ortamdan başka bir ortama geçerken frekansı değişmez; hızı ve dalga boyu değişir. Aynı ortamda kaynağın frekansı artırılırsa hız değişmez, dalga boyu kısalır.

Yay dalgaları

Gergin bir yayda ya da ipte oluşturulan dalgaların hızı, kaynağa değil ortamın özelliklerine bağlıdır: yay ne kadar gergin ve birim uzunluğunun kütlesi ne kadar küçükse dalga o kadar hızlıdır. Elle yayın ucunu daha hızlı sallamak (frekansı artırmak) dalgayı hızlandırmaz; yalnızca dalga boyunu kısaltır. Atmanın genliğini artırmak da hızı değiştirmez, taşınan enerjiyi artırır.

Yansıma: Yayda ilerleyen bir atma yayın ucuna gelince geri döner. Uç duvara sabitlenmişse atma ters dönerek yansır: tepe olarak giden atma çukur olarak döner. Uç halkayla bir çubuk üzerinde serbestçe kayabiliyorsa atma düz yansır. Her iki durumda da yansıyan atmanın hızı ve boyu değişmez; genliği ise ideal durumda aynı kalır.

Farklı yaylar: İnce bir yaydan kalın bir yaya geçen atmanın bir kısmı iletilir, bir kısmı yansır. Kalın yay ince yay için sabit uç gibi davranır: yansıyan atma ters, iletilen atma düzdür ve kalın yayda yavaşlar. Kalın yaydan ince yaya geçerken ise ince yay serbest uç gibidir: yansıyan atma düz döner, iletilen atma ince yayda hızlanır. İletilen atma her durumda düzdür.

Girişim (üst üste binme): Bir yayda karşılaşan iki atma birbirinin içinden geçer. Karşılaştıkları anda yer değiştirmeleri toplanır: aynı yönlü atmalar birleşince genlik büyür (yapıcı girişim), zıt yönlü eşit atmalar karşılaşınca o an için yay düz görünür (yıkıcı girişim). Karşılaştıktan sonra atmalar biçimlerini ve hızlarını koruyarak yollarına devam eder; bu, dalgaların cisimlerden çok farklı davrandığını gösterir.

Su dalgaları

Su dalgaları, dalga leğeni denen sığ bir kapta incelenir: ışık suyun üstünden tutulur, dalga tepeleri ışığı mercek gibi toplayıp leğenin altındaki perdede parlak çizgiler oluşturur. Düz bir cetvelle doğrusal, nokta biçimli bir uçla dairesel dalgalar üretilir. Dalga tepelerini birleştiren çizgilere dalga cephesi denir; dalga, cepheye dik yönde ilerler.

Su dalgalarının hızı derinliğe bağlıdır: derin suda hızlı, sığ suda yavaştır. Dalga derin bölgeden sığ bölgeye geçerken frekansı aynı kalır, hızı azalır, dolayısıyla dalga boyu kısalır.

Kırılma: Dalgalar iki bölgenin sınırına eğik gelirse hızları değiştiği için doğrultuları da değişir. Sığ bölgeye geçen dalga normale yaklaşır, derin bölgeye geçen dalga normalden uzaklaşır. Kıyıya yaklaşan deniz dalgalarının kıyıya hemen hemen paralel ulaşmasının nedeni budur: kıyıya yaklaştıkça su sığlaşır ve dalgalar kıyıya doğru bükülür.

Yansıma: Doğrusal dalgalar düz bir engelden, gelme açısı yansıma açısına eşit olacak biçimde yansır. Dairesel dalgalar düz bir engelden yansıdıktan sonra, engelin arkasındaki bir noktadan çıkıyormuş gibi dairesel olarak yayılır. Parabolik (çukur) bir engele gelen doğrusal dalgalar engelin odağında toplanır; bu, çanak antenlerin ve çukur aynaların çalışma ilkesidir.

Ses dalgaları

Ses, titreşen cisimlerin çevrelerindeki ortamın taneciklerini sıkıştırıp seyrelterek oluşturduğu boyuna ve mekanik bir dalgadır. Bu yüzden ses boşlukta yayılmaz: Ay'da ya da uzayda astronotlar birbirleriyle telsizle (elektromanyetik dalgalarla) konuşur.

Sesin hızı ortama bağlıdır: genel olarak katılarda en büyük, sıvılarda daha küçük, gazlarda en küçüktür. Havada 20 °C'de yaklaşık 340 m/s, suda yaklaşık 1 500 m/s, çelikte yaklaşık 5 000 m/s'dir. Gazlarda ses hızı sıcaklık arttıkça artar. Kulağını raya dayayan biri yaklaşan treni havadan gelen sesten önce duyar.

Sesin üç temel özelliği vardır:

• Yükseklik (ince–kalın): Frekansa bağlıdır. Frekansı büyük ses ince (tiz), küçük ses kalın (pes) duyulur. Kadın ve çocuk seslerinin frekansı genellikle erkek seslerinden yüksektir.
• Şiddet (yüksek–alçak): Genliğe ve taşınan enerjiye bağlıdır; desibel (dB) ile ölçülür. Fısıltı yaklaşık 30 dB, normal konuşma 60 dB, yoğun trafik 85 dB, rock konseri 110 dB'dir. Uzun süre 85 dB'in üzerindeki seslere maruz kalmak işitmeye kalıcı zarar verebilir.
• Tını: Aynı yükseklik ve şiddetteki seslerin kaynaklarına göre farklı duyulmasıdır. Keman ile flüt aynı notayı çaldığında onları tınılarından ayırırız.

İnsan kulağı yaklaşık 20 Hz ile 20 000 Hz arasındaki sesleri duyar. 20 Hz'in altındaki seslere infrasonik, 20 000 Hz'in üstündekilere ultrasonik sesler denir. Filler infrasonik seslerle kilometrelerce öteden haberleşir; yarasalar ve yunuslar ultrasonik seslerle yön bulur. Tıpta ultrason (ekografi) ile bebeklerin ve iç organların görüntüsü alınır.

Yankı: Ses bir engele çarpıp geri döner. Yansıyan sesin kaynaktan ayrı duyulmasına yankı denir. Yankı yöntemiyle uzaklık ölçülür: ses gidip geldiği için engele olan uzaklık \(x = v\,t/2\)'dir. Gemilerdeki sonar deniz tabanının derinliğini ve balık sürülerini bu yolla bulur. Konser salonlarının duvarları, istenmeyen yankıları önlemek için ses yutucu malzemelerle kaplanır.

Rezonans: Her cismin kendine özgü bir titreşim frekansı (doğal frekansı) vardır. Bir cisim kendi doğal frekansında dışarıdan sürekli etkilenirse büyük genlikle titreşmeye başlar; buna rezonans denir. Bir şarkıcının sesiyle kristal bardağı kırması, salıncağın doğru anlarda itilince giderek yükselmesi ve müzik aletlerinin gövdelerinin sesi güçlendirmesi rezonansın sonuçlarıdır. Askerlerin köprüden geçerken adım uydurmamaları da köprünün rezonansa girmesini önlemek içindir.

Doppler olayı: Ses kaynağı ile gözlemci birbirine yaklaşırken algılanan frekans artar (ses incelir), uzaklaşırken azalır (ses kalınlaşır). Yaklaşan ambulansın sireni tiz, uzaklaşanınki pes duyulur. Radar hız ölçerler ve tıptaki Doppler ultrason, damarlardaki kan akış hızını bu olayla ölçer.

Telli çalgılar ve ses

Gitar, bağlama ve keman gibi telli çalgılarda tel titreşir ve gövde bu titreşimi havaya aktararak sesi güçlendirir. Bir telin çıkardığı sesin frekansı üç etkene bağlıdır: tel kısaldıkça, gerginliği arttıkça ve inceldikçe frekans artar, ses incelir. Bağlamacı perdelere bastığında telin titreşen kısmını kısaltır; akort burgularını sıkınca gerginliği artırır. Kalın teller kalın (pes), ince teller ince (tiz) sesler verir. Nefesli çalgılarda ise titreşen hava sütunudur: sütun kısaldıkça frekans artar. Bu yüzden büyük bir tuba kalın, küçük bir flüt ince ses çıkarır.

Gürültü kirliliği

İstenmeyen ve rahatsız edici seslere gürültü denir. Trafik, şantiyeler, uçak motorları ve yüksek müzik başlıca gürültü kaynaklarıdır. Uzun süreli gürültü işitme kaybının yanı sıra uyku bozukluğu, stres ve dikkat dağınıklığına yol açar. Yollara ses perdeleri konması, çift camlı pencereler, duvarlarda yalıtım malzemeleri ve kulak koruyucular gürültüyü azaltmanın başlıca yollarıdır. Ses yutucu malzemeler genellikle gözenekli ve yumuşak yüzeylerdir (köpük, halı, kumaş): sesin enerjisini yansıtmak yerine soğurur ve ısıya dönüştürürler.

Deprem dalgaları

Yer kabuğundaki kırılmalar sonucu açığa çıkan enerji, deprem dalgaları biçiminde yayılır. Depremin oluştuğu noktaya odak, odağın yüzeydeki izdüşümüne merkez üssü denir.

• P dalgaları (birincil): Boyuna dalgalardır, en hızlı deprem dalgalarıdır ve istasyonlara ilk ulaşır. Katı, sıvı ve gazlarda yayılabilir.
• S dalgaları (ikincil): Enine dalgalardır, P dalgalarından yavaştır ve sıvılardan geçemez. S dalgalarının Dünya'nın çekirdeğinin bir bölümünden geçememesi, dış çekirdeğin sıvı olduğunu göstermiştir.
• Yüzey dalgaları: Yüzey boyunca yayılır, en yavaştır ama en çok hasarı genellikle bunlar verir.

P ve S dalgalarının bir istasyona varış zamanları arasındaki fark, istasyonun depreme uzaklığını verir; üç istasyonun ölçümüyle merkez üssü bulunur. Depremin büyüklüğü (açığa çıkan enerji) büyüklük ölçekleriyle (Richter ya da moment büyüklüğü), bir noktadaki etkisi ise şiddet ölçeğiyle ifade edilir. Büyüklük ölçeğinde bir birimlik artış, açığa çıkan enerjinin yaklaşık 32 kat artması demektir.

Elektromanyetik dalgalara kısa bir bakış

Işık, radyo dalgaları ve X-ışınları aynı ailenin üyeleridir: hepsi elektromanyetik dalgadır, boşlukta \(3 \times 10^{8}\) m/s hızla yayılır ve enine dalgadır. Aralarındaki fark frekans (ve dalga boyu) farkıdır. Frekans arttıkça dalganın taşıdığı enerji de artar.

Optik konusunda görünür ışığı, AYT'de ise elektromanyetik dalgaların nasıl oluştuğunu ayrıntılı göreceksin.