Standing Wave:Ορισμός, Αναλογία, Παραδείγματα και Εξήγηση

Στάσιμο κύμα είναι αυτό που σχηματίζεται από το συνδυασμό δύο κυμάτων που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις, αλλά έχουν ίση συχνότητα και πλάτος. Ένα στάσιμο κύμα μπορεί να σχηματιστεί μόνο όταν η κίνηση ενός κύματος είναι περιορισμένη μέσα σε ένα δεδομένο, πεπερασμένο χώρο. Με πιο συγκεκριμένους όρους, ένα στάσιμο κύμα είναι ένα κύμα που ταλαντώνεται στο χρόνο, αλλά το προφίλ του μέγιστου πλάτους του δεν κινείται στο χώρο.

Γνωστό και ως ακίνητο κύμα, ένα στάσιμο κύμα σχηματίζεται λόγω παρεμβολής. Βλέπετε, όταν τα κύματα υπερτίθενται, οι ενέργειές τους είτε ακυρώνονται είτε προστίθενται. Στην περίπτωση κυμάτων που ταξιδεύουν προς την ίδια κατεύθυνση, η παρεμβολή οδηγεί σε ένα κύμα που κινείται (το αντίθετο από ένα στάσιμο κύμα).

Standing waves (Φωτογραφία:Wjh31/Wikimedia Commons)

Πώς παράγεται ένα στάσιμο κύμα;

Ας υποθέσουμε ότι μαδάτε μια χορδή σε μια κιθάρα. Τη στιγμή που το κάνετε αυτό, δημιουργείτε δονήσεις μέσα στο σώμα της κιθάρας, οι οποίες ονομάζονται πιο συγκεκριμένα μηχανικά κύματα. Ένα τέτοιο δονούμενο όργανο παράγει ήχο επειδή η ενέργεια που παράγεται από αυτές τις δονήσεις (με τη μορφή ηχητικών κυμάτων) κινείται μέσω του αέρα και φτάνει στα αυτιά μας. Οι δονήσεις που δημιουργούνται μέσα στο ίδιο το όργανο (στην κιθάρα, σε αυτήν την περίπτωση) ονομάζονται στάσιμα κύματα.

Τα στάσιμα κύματα μπορούν να δημιουργηθούν μόνο όταν η κίνησή τους περιορίζεται σε μια δεδομένη, πεπερασμένη περιοχή. Ας εξετάσουμε ξανά τη δονούμενη χορδή κιθάρας.

Λεζάντα:Παρατηρήστε πώς δονείται μια χορδή όταν την κόβουν.

Γνωρίζετε ότι η χορδή της κιθάρας (που μαδήσατε) είναι περιορισμένη και στα δύο άκρα – από τη γέφυρα στη μία πλευρά και από το δάχτυλό σας στο ταστιχάκι στην άλλη. Τη στιγμή που κόβετε μια χορδή, το κύμα αντανακλάται από κάθε ένα από τα προαναφερθέντα όρια της χορδής. Η ενέργεια του κύματος εξαπλώνεται καθώς συνεχίζει να κινείται εμπρός και πίσω μεταξύ των δύο άκρων. Λόγω της διαδικασίας παρεμβολής, παράγονται στάσιμα κύματα.

Κόμβοι και αντικόμβοι στάσιμου κύματος

Ένα στάσιμο κύμα ονομάζεται ως τέτοιο επειδή, σε αντίθεση με τα «κανονικά» κύματα, δεν φαίνεται ότι ταξιδεύει από τη μια πλευρά στην άλλη. Μάλλον, φαίνεται σαν να κουνούσε ενώ στεκόταν στη θέση του.

Κάθε μοτίβο στάσιμων κυμάτων έχει ορισμένα σημεία κατά μήκος του μέσου που φαίνεται να στέκονται ακίνητα. Αυτά τα σημεία ονομάζονται κόμβοι ή «σημεία χωρίς μετατόπιση». Υπάρχουν επίσης ορισμένα σημεία κατά μήκος του μέσου που υφίστανται μέγιστη μετατόπιση κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου δόνησης του στάσιμου κύματος. Αυτά τα σημεία ονομάζονται αντικόμβοι.

Ρίξτε μια ματιά στο παρακάτω gif για να κατανοήσετε καλύτερα τους κόμβους και τους αντικόμβους.

Μπορείτε να δείτε στο παραπάνω gif ότι υπάρχουν ορισμένα σημεία στο κύμα που δεν κινούνται καθόλου (κόμβοι) και στη συνέχεια υπάρχουν σημεία στα μισά της διαδρομής μεταξύ δύο γειτονικών κόμβων όπου η κίνηση της χορδής έχει τη μεγαλύτερη απόκλιση (αντινόδες).

Τι είναι η αναλογία στάσιμων κυμάτων;

Ο λόγος στάσιμου κύματος (SWR) είναι ο λόγος του πλάτους στον αντικόμβο (μέγιστο) του στάσιμου κύματος προς το πλάτος στον κόμβο (ελάχιστο).

Όταν κοιτάζετε ένα κύμα με πεπερασμένο και μη μηδενικό SWR, μπορείτε να υποθέσετε ότι το κύμα ταξιδεύει εν μέρει και εν μέρει ακίνητο. Τα καθαρά στάσιμα κύματα έχουν άπειρο SWR. Ένα ενδιαφέρον πράγμα που πρέπει να σημειωθεί σχετικά με τα καθαρά στάσιμα κύματα είναι ότι δεν μεταφέρουν καμία ενέργεια από την πηγή στον προορισμό! Ωστόσο, το κύμα εξακολουθεί να υπόκειται σε απώλειες στο μέσο.

Ένας μετρητής SWR ραδιοφώνου CB (Πιστοποίηση φωτογραφίας:Vaughan Weather/Wikimedia Commons)

Ο όρος λόγος στάσιμων κυμάτων είναι υψίστης σημασίας στον τομέα των τηλεπικοινωνιών και της ραδιομηχανικής, καθώς βοηθά στην εγκατάσταση και τον συντονισμό κεραιών μετάδοσης. Γι' αυτό ο έλεγχος του SWR (χρησιμοποιώντας μια συσκευή γνωστή ως μετρητής SWR) είναι μια τυπική διαδικασία σε οποιονδήποτε ραδιοφωνικό σταθμό.

Παραδείγματα στάσιμου κύματος

Το προαναφερθέν παράδειγμα μαδήματος της χορδής μιας κιθάρας είναι ένα καλό παράδειγμα παραγόμενων όντων στάσιμων κυμάτων. Εκτός από αυτό, δύο άτομα που τινάζουν και τα δύο άκρα ενός σχοινιού άλματος είναι επίσης μια καλή οπτική για να κατανοήσετε την ιδέα των στάσιμων κυμάτων. Εάν κουνήσουν το σχοινί συγχρονισμένα, μπορεί να σχηματίσει ένα μοτίβο κυμάτων που ταλαντώνονται πάνω και κάτω, με σημεία κατά μήκος του σχοινιού όπου το τόξο του σχοινιού βρίσκεται στο μέγιστο (αντίνοδος) και σημεία όπου το σχοινί είναι σχεδόν ακίνητο (κόμβος).

Εάν δύο άτομα κουνήσουν ένα σχοινί άλματος συγχρονισμένα, το σχέδιο των κυμάτων που σχηματίζει μπορεί να είναι αρκετά παρόμοιο με ένα στάσιμο κύμα. (Πίστωση εικόνας:Pixabay)

Στα ηχητικά κύματα μπορούν επίσης να παρατηρηθούν στάσιμα κύματα. Η παρουσία στάσιμων κυμάτων είναι πιο αισθητή σε μουσικά όργανα όπως φλάουτα ή κιθάρες. Τα στάσιμα κύματα μπορούν επίσης να παρατηρηθούν σε οπτικά μέσα, όπως οπτικές κοιλότητες, κυματοδηγοί κ.λπ. Ακόμη και η παρεμβολή μεταξύ των ακτίνων Χ μπορεί να σχηματίσει ένα πεδίο στάσιμων κυμάτων ακτίνων Χ!