Su Dalgaları Yansıma

Denizde ya da havuzda oluşan dalgaları gözlemişsinizdir. Su dalgalarının özelliklerini nasıl inceleyebiliriz? Su dalgası için dalga hareketinin temel değişkenlerini nasıl belirleyebiliriz? Bunun için laboratuvara gidiyoruz ve dalga leğeni adını verdiğimiz bir aracı kullanıyoruz.

Dalga leğeni nedir?

Aşağıdaki resimde bir dalga leğeni görülüyor. Bu aslında gerçekten içine su doldurduğumuz bir leğen. Dört ayağı var, içine su koyduğumuz dörtgen bir leğeni var. Resimde görünmüyor ama bir de leğenin tepesine bir ışık kaynağı yerleştiriyoruz. Böylece oluşturduğumuz dalgaları leğenin altında gözleyebiliyoruz. Işık, oluşan su dalgalarının tepesine çarpıyor, bu kısımlar ince kenarlı mercek görevi görüyor ve ışığı leğenin altında topluyor. Masanın yüzeyinde görünen beyaz bölgeler dalga tepeleri, daha koyu görünen gölgeler ise dalga çukurları. Su dalgalarını incelemeyi bu görüntüler çok kolaylaştırır. Suyun yüzeyiyle değil suyun altındaki görüntüsüyle çalışmak dalgaları görmeyi zahmetsiz hale getirir.

Bu resimde dairesel dalgalar oluşturan bir dalga kaynağımız var. Bu kaynak bir elektrik motoruna bağlanmış bir boncuktan ibaret. Suya dokunup çıkıyor. Elektrik motorunun dönme devrini kontrol ederek, oluşturulan su dalgalarının frekansını kontrol edebiliyoruz.

Doğrusal ve dairesel su dalgaları

Doğrusal su dalgaları ard arda ve birbirine paralel ilerleyen dalgalardır. Bir dalga leğeninde doğrusal su dalgaları bir cetvelle suyun yüzeyine dokunularak oluşturulabilir. Doğrusal su dalgaları dalga kaynağına dik doğrultuda ilerler. Aşağıdaki resimde dalga leğeninde oluşturulan doğrusal su dalgaları gösteriliyor. Bu dalgalar sağdan sola doğru ilerliyor.

Aşağıdaki videoda doğrusal su dalgaları bu görülüyor. Video kısa mutlaka izleyin derim.

Dairesel su dalgaları ise iç içe halkalar şeklinde yayılan su dalgalarıdır. Bir dalga leğeninde dairesel su dalgaları bir kurşun kalemle veya parmağınızın ucuyla suyun yüzeyine dokunularak oluşturulabilir. Dairesel su dalgaları yarıçap doğrultusunda yani dalga kaynağının çevresinde her yönde ilerler. Aşapıdaki resimde dairesel su dalgaları görülüyor. Dalgalar kaynaktan (merkezdeki çemberden) dışarı doğru her yöne halka şeklinde yayılıyor.

Aşağıdaki videoda dairesel su dalgaları görülüyor. Bu videoyu da mutlaka izleyin, bu da kısa.

Su dalgalarına yüzey dalgası denir. Çünkü suyun yüzeyinde meydana gelen dalgalar suyun derinlerine inildikçe hissedilmez. Örneğin, deniz yüzeyinin bir kaç metre altına inen bir dalgıç yüzeydeki dalgaları hissetmez.

Su dalgalarında yansıma

Yay dalgalarının nasıl yansıdıklarını incelemiştik. Şimdi su dalgalarının nasıl yansıdıklarını inceleyelim.

Doğrusal Su Dalgalarının Düzlemsel Engellerden Yansıması

Aşağıdaki videoda doğrusal su dalgalarının, dalgaların ilerleme yönüne (normale) dik olarak yerleştirilmiş düzlemsel bir engelden nasıl yansıdığı bir dalga leğeni deneyiyle gösteriliyor. Bu videoyu izlemelisiniz.

Düzlemsel engele, normal doğrultusunda gelen doğrusal su dalgaları yine normal doğrultusunda geri yansır. Aşağıdaki resimde doğrusal bir su dalgası gösteriliyor. Dalganın sol ucunda A, ortasında B, sağ ucunda C noktası seçiyoruz. Bu noktaların tamamı aynı anda düzemsel engele dik olarak çarpıp dik olarak yansıyor.

Aşağıdaki videoda ise normalle bir açı yaparak gelen su dalgalarının düzlemsel bir engelden nasıl yansıdığı görülüyor.

Normal ile belli bir açı yaparak düzlemsel yüzeye gelen doğrusal su dalgaları, normale gelme açısına eşit yansıma açısıyla yansır.

Gelme açısı (i) = Yansıma açısı (r)

Aşağıdaki resimde doğrusal bir su dalgası açılı bir doğrusal engele doğru geliyor. Önce sol ucu yani A noktası engele çarpıp yansıyor, sonra ortası B noktası, en son da sağ ucu C noktası engele çarpıp yansıyor. Bu noktaların hepsi gelirken normalle (yüzeye dik çizdiğimiz doğru ile) yaptıkları açı yansırken normalle yaptıkları açı eşit olacak şekilde yansıyor. Bu kanunun ışığın yansımasında da geçerli olduğunu öğreneceksiniz. Daha sonra da düzlem aynada görüntü oluşumunu su dalgalarının düz engelden yansımasıyla kıyaslayacağız.

Doğrusal Su Dalgalarının Parabolik Engellerden Yansıması

Aşağıdaki videoda çukur bir yüzeye gelen doğrusal su dalgalarının nasıl yansıdığı görülüyor.

Çukur bir yüzeye gelen doğrusal su dalgaları yüzeyden yansıdıktan sonra bir noktada toplanır. Bu noktaya yansıtıcı yüzeyin odak noktası denir. Aşağıdaki resimde çukur engelden yansıyan doğrusal su dalgaları görülüyor. Küresel aynalarda odak noktasıyla tekrar karşılaşacağız. Daha sonra dalgaların çukur engelden yansımasını ışığın çukur aynadan yansımasıyla karşılaştıracağız.

Aşağıdaki videoda da tümsek bir yüzeye gelen doğrusal su dalgalarının nasıl yansıdığı görülüyor.

Tümsek bir yüzeye gelen doğrusal su dalgaları engelin arkasında, engelin odak noktasında bir kaynaktan geliyormuş gibi yansır. Aşağıdaki resimde tümsek bir engele gelen doğrusal su dalgalarının yansıması görülüyor. Bu fiziksel olay ışığın tümsek aynalardan yansımasıyla da yakından ilişkili.

Dairesel Su Dalgalarının Düzlemsel Engellerden Yansıması

Aşağıdaki videoda dairesel su dalgalarının düzlemsel bir engelden nasıl yansıdığı görülüyor.

Dairesel su dalgaları düzlemsel bir engel ile karşılaştığında sanki engelin arkasındaki bir noktadan geliyormuş gibi dairesel olarak yansır. Yansıyan dalgaların merkezinin engele uzaklığı ile gelen dalgaların merkezinin engele uzaklığına eşittir.

Dairesel Su Dalgalarının Parabolik Engellerden Yansıması

Aşağıdaki videoda dairesel su dalgalarının parabolik bir engelin odağına yerleştirildiğinde nasıl yansıdığı gösteriliyor.

Odak noktasındaki bir kaynaktan çukur şeklindeki engele gelen dairesel su dalgaları doğrusal dalgalar şeklinde yansır.

Bu da eski ama çok önemli bir video. Bunu da izleyin derim.

Su dalgaları ile ilgili kazanımlar

10.3.3.1. Dalgaların ilerleme yönü, dalga tepesi ve dalga çukuru kavramlarını açıklar.

• Kavramlar doğrusal ve dairesel su dalgaları bağlamında ele alınır.

10.3.3.2. Doğrusal ve dairesel su dalgalarının yansıma hareketlerini analiz eder.

• Öğrencilerin deney yaparak veya simülasyonlar kullanarak su dalgalarının yansıma hareketlerini çizmeleri sağlanır.
• Doğrusal su dalgalarının doğrusal ve parabolik engellerden yansıması dikkate alınır.
• Dairesel su dalgalarının doğrusal engelden yansıması dikkate alınır, parabolik engelden yansımasında ise sadece merkezden gönderilen dalgalar dikkate alınır.

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.

Su dalgalarında yansıma konusu, dairesel su dalgalarının tümsek engelden yansıması nasıl olur, konu anlatımı, hakkında bilgi.

Su dalgaları engellere yansır. Düz dalgalar kavisli engeller tarafından yansıtıldığında, orijinal olarak paralel dalga ışınları, engelin eğriliğine bağlı olarak ya yakınsak ya da ıraksak yönlerde hareket eder. Bu süreçte, her bir dalga ışını, yansıma yasasına göre (açı açısı) engelin hayali bir düzlemsel bölümünde yansıtılır.
geliş = yansıma açısı).

Optikte olduğu gibi dairesel kavisli engelleri içbükey ve dışbükey reflektörler olarak kabul edebiliriz. Bu “aynalardaki” yansımada tıpkı optikte olduğu gibi bir odak noktasına odaklanmayı, sırasıyla bu odak noktasından uzaklaşmayı gözlemleyebiliyoruz. Odak uzaklığı, “aynanın” bükülme yarıçapının yarısına eşittir.

Yansımanın gözlemlenebilmesi için dolu dalga oluğunda düz dalgalar üretilir. Reflektörler olarak, dışbükey reflektör olarak bikonveks bir merceğin ve içbükey bir reflektör olarak bikonkav bir merceğin enine kesitlerine sahip daldırma gövdelerini kullanabiliriz; gövdeler su hattının üzerinde uzanır.

Deney

a) Düz su dalgalarının “dışbükey aynada” yansıması:

– Gerekirse, tırtıllı vidayı (f) kullanarak stroboskop diskini ışın yolunun dışına döndürün, böylece cam bölme
Dalga teknesinin altı tamamen aydınlatılmıştır.

– (e) düğmesini kullanarak, 20-30 Hz arasında bir frekans ayarlayın ve (d) düğmesini kullanarak, yansıyan dalga cepheleri açıkça görülebilene kadar uyarım genliğini dikkatli bir şekilde artırın.

– Uyarıcının daldırma derinliğini ayar vidasıyla (h) gerektiği gibi değiştirin.

– Yansıyan dalga cephelerinin şeklini gözlemleyin.

– Anahtar (a) ile stroboskopu açın; Kısa bir ısınma süresinden sonra, düğmeyi kullanarak uyarma ve stroboskop frekanslarında ince ayar yapmanız gerekebilir.

(b) sabit bir dalga görüntüsü görünene kadar.

– Şeffaflık üzerine olayın ve yansıyan dalgaların şekillerini çizin.

– Deneyi bir dalga paketi ile tekrarlayın. Gerekirse, stroboskop diskini ışın yolunun dışına döndürün, genlik topuzunu (d) tamamen sola çevirin ve tek dalga uyarımı için basmalı düğmeye (c) basın.

b) Düz su dalgalarının “içbükey ayna”da yansıması:

– Bikonveks merceği bikonkav mercekle değiştirin. İçbükey kenarlardan birini uyarıcıya “paralel” hizalayın.

– Gerekirse, tırtıllı vidayı (f) kullanarak stroboskop diskini ışın yolunun dışına döndürün, böylece dalga teknesinin altındaki cam panel tamamen aydınlatılır.

– Düz dalgalar oluşturmak için uyarıcıyı kullanın. Bunu yapmak için, 20-30 Hz arasında bir frekans ayarlayın ve yansıyan dalga cepheleri açıkça görülünceye kadar uyarma genliğini dikkatli bir şekilde artırın.
(dalga teknesi için Talimat Sayfasına bakın).

– Uyarıcının daldırma derinliğini ayar vidasıyla (h) gerektiği gibi değiştirin.

– Yansıyan dalga cephelerinin şekillerini gözlemleyin.

– Stroboskobu kullanarak sabit bir dalga görüntüsü oluşturun.

– Şeffaflık üzerine olayın şeklini ve yansıyan dalgaları çizin. Yansıtılan dalgaların dairesel olarak birleştiği noktayı işaretleyin.

– Deneyi bir dalga paketi ile tekrarlayın.

Dairesel Su Dalgalarının Tümsek Engelden Yansıması

En son olarak dairesel dalganın tümsek engelden yansımasını inceleyelim. Dalga leğeninde tümsek engelin önünde dairesel dalgalar üretelim. Şekil:2-18 de görüldüğü gibi bu dalgalar engelden yine dairesel dalga olarak yansır. Yansıyan dalga sanki engelin arkasındaki bir noktadan geliyormuş gibi yansımaktadır. Bu olay ışığın tümsek aynadaki yansımasına benzemektedir.