2.4 Bølger, lyd og lys

Bølger er overalt

Du sitter på en strand og ser bølgene rulle inn mot land. Det er en bølge du kan se og føle. Men visste du at du akkurat nå er omgitt av bølger du ikke kan se? Lydbølger bærer stemmer og musikk til ørene dine. Lysbølger lar deg se fargene i verden. Radiobølger bringer signaler til telefonen din. Mikrobølger varmer maten din. Bølger er overalt, hele tiden.

Men hva er egentlig en bølge? En bølge er en forstyrrelse som transporterer energi fra ett sted til et annet, uten å flytte materie permanent. Tenk på en bølge i et tau: hvis du rister den ene enden, beveger en bølge seg gjennom tauet, men selve tauet forblir på samme sted. Bølgen bærer energi, ikke materie.

Det samme gjelder havbølger. Legg merke til en ting som flyter på vannet: den beveger seg opp og ned når bølgen passerer, men den flytter seg ikke med bølgen innover mot land. Vannet beveger seg opp og ned, men energien beveger seg fremover.

I dette kapittelet skal vi utforske bølger generelt, og deretter dykke dypere inn i to spesielle typer bølger som er avgjørende for hverdagen vår: lyd og lys. Vi skal forstå hvorfor bass skiller seg fra diskant, hvorfor himmelen er blå, og hva en regnbue egentlig er.

Bølgeegenskaper: Bølgelengde, frekvens og amplitude

Alle bølger kan beskrives med noen grunnleggende egenskaper.

Bølgelengde (symbol λ, den greske bokstaven lambda) er avstanden fra en bølgetopp til den neste. Den måles i meter. Bølgelengden bestemmer for eksempel hvilken farge lys har, eller hvilken tone en lyd har.

Frekvens (symbol f) er antall bølger som passerer et punkt per sekund. Den måles i hertz (Hz). En frekvens på 440 Hz betyr at 440 bølgetopper passerer per sekund. Frekvensen bestemmer tonehøyden for lyd: høy frekvens gir lys tone, lav frekvens gir dyp tone.

Amplitude er bølgens høyde, altså avstanden fra hvilestillingen til bølgetoppen. Amplituden bestemmer bølgens styrke eller intensitet. For lyd betyr stor amplitude høy lyd, liten amplitude betyr svak lyd. For lys betyr stor amplitude sterkt lys.

Bølgefart (symbol v) er hvor raskt bølgen beveger seg. Sammenhengen mellom disse størrelsene er gitt av en enkel, men viktig formel:

v = f · λ (bølgefart = frekvens × bølgelengde)

Denne formelen forteller oss at for en gitt bølgefart, jo høyere frekvens, desto kortere bølgelengde, og omvendt. Lydbølger med høy frekvens (lys tone) har kort bølgelengde, og lydbølger med lav frekvens (dyp tone) har lang bølgelengde.

Det finnes to hovedtyper bølger. Tverrbølger svinger vinkelrett på bevegelsesretningen, som bølger på et tau eller lysbølger. Langsgående bølger svinger i samme retning som bevegelsesretningen, som lydbølger i luft. I en langsgående bølge veksler det mellom fortettinger (der partiklene er presset sammen) og fortynninger (der de er spredt ut).

Lyd: Vibrasjoner i luft

Lyd er langsgående bølger som oppstår når noe vibrerer og setter luftmolekylene i bevegelse. Når en gitarstreng vibrerer, dytter den luftmolekylene ved siden av seg sammen (fortetting). Disse dytter i sin tur de neste molekylene, og slik beveger bølgen seg utover som en kjedereaksjon. Det er litt som dominobrikker, men i stedet for å falle, presser molekylene hverandre sammen og fra hverandre.

Lyd trenger et medium å bevege seg i. Den kan bevege seg i luft, vann, metall og de fleste andre stoffer, men ikke i vakuum. Det er derfor det er stille i verdensrommet. Lydhastigheten varierer mellom ulike medier: i luft er den ca. 340 m/s, i vann ca. 1500 m/s, og i stål ca. 5000 m/s. Lyd beveger seg raskere i faste stoffer fordi molekylene sitter tettere og kan overføre vibrasjonene raskere.

Det menneskelige øret kan oppfatte lyd med frekvenser mellom ca. 20 Hz og 20 000 Hz. Lyd under 20 Hz kalles infralyd (elefanter kan høre dette), og lyd over 20 000 Hz kalles ultralyd (hunder og flaggermus kan høre dette). Ultralyd brukes i medisinsk diagnostikk, blant annet til å ta bilder av foster i mors mage.

Lydstyrke måles i desibel (dB). Normal samtale er ca. 60 dB, en rockkonsert ca. 110 dB, og smertegrensen ligger rundt 120 dB. Desibel-skalaen er logaritmisk, noe som betyr at en økning på 10 dB oppleves som en dobling av lydstyrken. Langvarig eksponering for lyd over 85 dB kan skade hørselen permanent, og det er derfor det er viktig å bruke hørselsvern i støyende omgivelser.

Lys: Elektromagnetiske bølger

Lys er helt annerledes enn lyd. Mens lyd er mekaniske bølger som trenger et medium, er lys elektromagnetiske bølger som kan bevege seg gjennom vakuum. Det er derfor sollys kan nå oss gjennom det tomme verdensrommet.

Lys beveger seg med den fantastiske hastigheten 300 000 km/s (eller ca. 3 × 10⁸ m/s). Det er den raskeste hastigheten som finnes i universet, og ifølge Einstein kan ingenting bevege seg raskere enn lys.

Det synlige lyset, altså det øynene våre kan se, er bare en liten del av det elektromagnetiske spekteret. Det synlige lyset har bølgelengder mellom ca. 380 nm (fiolett) og 700 nm (rødt). Men utenfor dette synlige området finnes det mange andre typer elektromagnetisk stråling: radiobølger (lange bølgelengder, brukes i radio og TV), mikrobølger (brukes i mikrobølgeovner og mobiltelefoner), infrarød stråling (varmestråling), ultrafiolett stråling (fra solen, kan gi solbrenthet), røntgenstråling (brukes på sykehus) og gammastråling (fra radioaktive stoffer). Alle disse er egentlig den samme typen bølge, bare med ulik bølgelengde og frekvens.

Når hvitt lys sendes gjennom et prisme, splittes det opp i alle regnbuens farger: rødt, oransje, gult, grønt, blått, indigo og fiolett. Dette skjer fordi ulike bølgelengder bøyes ulikt når de passerer gjennom glasset. Rødt lys har lengst bølgelengde og bøyes minst, mens fiolett lys har kortest bølgelengde og bøyes mest. En regnbue oppstår på samme måte: regndråper fungerer som bittesmå prismer som splitter sollyset.

Refleksjon og brekning

Når bølger treffer grensen mellom to ulike medier, kan to ting skje: refleksjon og brekning.

Refleksjon skjer når bølgen spretter tilbake fra en overflate. Det er dette som skjer når du ser deg selv i et speil: lysbølgene treffer speilet og kastes tilbake til øynene dine. En viktig regel for refleksjon er at innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen. Det betyr at lyset spretter tilbake i en forutsigbar vinkel, akkurat som en biljardball som treffer en bande.

Refleksjon gjelder ikke bare lys. Ekko er refleksjon av lyd. Når du roper mot en fjellvegg, treffer lydbølgene veggen og kastes tilbake. Hvis fjellveggen er langt nok unna, hører du ditt eget rop som et ekko.

Brekning (refraksjon) skjer når bølger passerer fra ett medium til et annet og endrer retning. Du har sikkert lagt merke til at en skje i et glass vann ser ut som den er knekt der den treffer vannoverflaten. Skjeen er selvsagt ikke knekt. Det er lyset som endrer retning når det går fra vann til luft, og dette lurer øynene dine.

Brekning skjer fordi lys beveger seg med ulik hastighet i ulike medier. Lys beveger seg langsommere i vann og glass enn i luft. Når lyset går skrått fra et medium der det beveger seg raskt (luft) til et der det beveger seg sakt (vann), bøyes det mot normalen (vinkelrett på overflaten). Når det går fra sakte til raskt medium, bøyes det fra normalen.

En spennende konsekvens av brekning er totalrefleksjon. Når lys prøver å gå fra et tett medium (som vann) til et tynnere medium (som luft) i en veldig skrå vinkel, kan det bli fullstendig reflektert tilbake. Dette prinsippet brukes i fiberoptiske kabler, der lyssignaler hopper frem og tilbake inni glassfibre og kan frakte enorme mengder data over lange avstander.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi utforsket bølger, lyd og lys.

En bølge transporterer energi uten å flytte materie permanent. Bølger beskrives med bølgelengde (λ), frekvens (f, i hertz), amplitude og bølgefart (v). Sammenhengen er v = f · λ. Vi skiller mellom tverrbølger (svinger vinkelrett) og langsgående bølger (svinger i bevegelsesretningen).

Lyd er langsgående bølger som trenger et medium. Lydhastigheten er ca. 340 m/s i luft, raskere i vann og stål. Frekvensen bestemmer tonehøyden, amplituden bestemmer lydstyrken (desibel). Mennesker hører mellom 20 og 20 000 Hz.

Lys er elektromagnetiske bølger som kan bevege seg i vakuum med hastighet ca. 300 000 km/s. Synlig lys har bølgelengder mellom 380 nm (fiolett) og 700 nm (rødt). Det elektromagnetiske spekteret inkluderer også radiobølger, mikrobølger, infrarød, ultrafiolett, røntgen og gammastråling.

Refleksjon er når bølger spretter tilbake fra en overflate (speil, ekko). Innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen. Brekning er når bølger endrer retning ved overgang mellom medier, fordi de beveger seg med ulik hastighet. Brekning forklarer hvorfor en skje i vann ser knekt ut, og hvordan regnbuer dannes.