Şimşeği anında görürsün, gök gürültüsünü sonra duyarsın
Aynı olay, iki ayrı dalga, iki ayrı varış zamanı. Şimşek çaktığında şimşeğin ışığı anında görülür fakat sesi bir süre sonra duyulur. Bu sayfada tek bir soru var: bir dalga neye bağlı olarak hızlanır ya da yavaşlar? Cevap her seferinde aynı yeri gösterecek — ortama.
Mekanik dalgaların yayılabilmek için maddesel ortama ihtiyacı vardır. Buna karşın elektromanyetik dalgalar boşlukta da yayılabilir.
Dalgaların yayılma sürati yayıldıkları ortamın fiziksel özelliğine göre değişiklik gösterir. Örneğin ortamın yoğunluğu, esnekliği ve sıcaklığı dalgaların yayılma süratini doğrudan etkiler.
Mekanik dalgaların yayılma sürati ortamın esneklik özelliğinin artmasıyla artar ve yoğunluğunun artmasıyla azalır.
“Esneklik” burada yumuşaklık değil, bozulan şeklin ne kadar hızlı eski hâline dönebildiğidir. Çelik bir tel esneklik bakımından havadan çok üstündür; bu yüzden ses çelikte havadan çok daha hızlı gider.
Elektromanyetik dalgalar boşlukta ışık hızıyla yayılır.
Boşluktan maddesel ortama geçen elektromanyetik dalgaların ortalama yayılma sürati, ortamın yoğunluğunun artmasıyla azalmaktadır.
Yani mekanik dalgada madde gerekli, elektromanyetik dalgada madde engel: ışık en hızlı boşlukta gider, maddeye girince yavaşlar.
Bir dalganın frekansı ve periyodu kaynağa bağlıdır; ortam değişse bile değişmez. Yayılma sürati ise yalnız ortama bağlıdır. Ortam değişince sürat değişir, frekans sabit kalır — bu durumda dalga boyu değişmek zorundadır, çünkü ϑ = λ · f.
Soruda “dalga hızlandı” diyorsa ortam değişmiştir; “kaynak hızlı sallandı” diyorsa frekans değişmiştir. İkisi bambaşka olaydır.
Bir ses kaynağından çıkan ses, maddenin taneciklerini titreştirir. Bu titreşim, tanecikler arasında birbirine aktarılır ve ses yayılır.
Ses dalgası, madde moleküllerinin birbirine en yakın olduğu katı ortamda en yüksek süratle yayılırken gaz ortamda en düşük süratle yayılacaktır.
katı > sıvı > gaz
Ses dalgalarının yayılma sürati, taneciklerin arasındaki mesafe arttıkça azalırken taneciklerin arasındaki mesafe azaldıkça artar. Sesin yayılma süratinin en büyük değeri katılarda, en küçük değeri gazlardadır.
Ortam moleküllerinin titreşim enerjisinin sıcaklık arttıkça arttığı da göz önünde bulundurulduğunda aynı maddesel ortamda üretilen ses dalgaları sıcaklığın fazla olduğu yerde daha süratli yayılacaktır.
Ortamın sıcaklığı arttıkça ses dalgalarının yayılma sürati artar. Bu yüzden ses, soğuk havalarda sıcak havalara göre daha zor duyulur.
Aşağıda üç ortam var. Birine tıkla, kaydırakla sıcaklığı değiştir: taneciklerin sıklığı ve sesin ilerleyişi birlikte değişsin.
Gökçe ile Defne, iki plastik bardak ve bir ip kullanarak basit bir telefon yapar. Bardakların tabanlarına küçük birer delik açıp yaklaşık 3 m uzunluğundaki ipin iki ucunu bu deliklerden geçirip bağlarlar. İpi gerecek şekilde uzaklaşırlar. Gökçe yavaşça önce havaya, sonra bardağın içine aynı cümleyi söyler. Defne sesi hangi durumda daha net duyar?
Çözüm: Defne ip yardımıyla sesi daha net duymuştur. Bunun nedeni sesin katı ortamda (ip) havaya göre daha hızlı ve daha az kayıpla yayılmasıdır. İp gibi katı bir ortamda titreşimler daha etkili bir şekilde iletilir. Bu yüzden Defne ip gergin olduğunda sesi daha net duymuştur.
Su dalgalarının yayılma sürati, suyun derinliğine bağlı olarak değişiklik gösterir. Derinlik arttıkça su dalgalarının yayılma sürati de artar.
Açık denizlerde oluşan su dalgalarının sürati, sahil gibi sığ bölgelere yaklaştıkça azalır.
Sörfçüler bunu bilir: kıyıya yaklaştıkça dalgaların dalga boyu azalır ve dalgalar yavaşlar. Rüzgâr sörfü yapılırken bu değişim göz önünde bulundurulur; kıyıya yakın bölgelerde daha dikkatli olmak gerekir.
Kaydırakla dalga leğeninin derinliğini değiştir. Kaynağın frekansı sabit tutuluyor; değişen tek şey ortam. Sürat ve dalga boyunun birlikte nasıl değiştiğini izle.
Bir kıyı şeridinin havadan görüntüsünü izleyen öğrenci, dalgaların süratinin her yerde aynı olmadığını fark eder. Görüntüyü 1, 2 ve 3 numaralı bölgelere ayırıp süratler arasındaki ilişkiyi c₃ > c₁ > c₂ olarak belirler. Bölgelerin derinlikleri d₁, d₂, d₃ ise sıralama nedir?
Çözüm: Su dalgalarında derinlik arttıkça sürat artar; yani sürat sıralaması derinlik sıralamasıyla aynı yöndedir. c₃ > c₁ > c₂ olduğuna göre küçükten büyüğe derinlik sıralaması d₂ < d₁ < d₃ olur.
Üç grup deney yapar. 1. ve 2. leğene 4 cm, 3. leğene 6 cm yüksekliğinde su konur. Birinci grup cetveli ikişer saniye aralıkla dört kez, ikinci ve üçüncü gruplar birer saniye aralıkla sekiz kez suya batırıp çıkarır. Ölçümde 1. ve 2. grubun süreleri birbirine çok yakın, 3. grubun süresi daha kısa çıkar.
Çözüm: 1. ve 2. leğende derinlik aynı, yalnızca oluşturulan dalga sayısı farklı — süreler yakın çıktığına göre dalga sayısı (yani kaynağın frekansı) sürati değiştirmiyor. 3. leğende ise yalnız derinlik farklı ve süre daha kısa: derinlik arttıkça sürat artıyor. Yani dalgaların yayılma sürati yalnız ortamın özelliklerine bağlıdır. 1. ve 3. leğendeki süreleri eşitlemek için iki leğendeki su derinliğini eşitlemek gerekir.
Deprem dalgaları da kayaç gibi sert ortamlarda kum ya da toprak gibi yumuşak ortamlara göre daha büyük süratle yayılır.
Depremin meydana geldiği alana aynı uzaklıkta bulunan kayalık bölge, deprem dalgasını toprak bölgeden daha önce hisseder.
Aşağıdaki canlandırmada iki bölge odak noktasına eşit uzaklıkta. Tek fark zemin. Aynı anda başlayan iki dalga, farklı zamanlarda varıyor.
Elektromanyetik dalgalar boşlukta ışık hızıyla yayılır.
Boşluktan maddesel ortama geçen elektromanyetik dalgaların ortalama yayılma sürati, ortamın yoğunluğunun artmasıyla azalmaktadır.
Mekanik dalgada tam tersi olur: orada madde yoksa dalga da yoktur. Bu ikisini yan yana koymak, bütün ünitenin özetidir.
Aşağıdaki tabloya bak: hangi dalga, hangi değişkene, ne yönde tepki veriyor? Arama kutusuna “sıcaklık”, “derinlik”, “zemin” gibi bir sözcük yaz.
Tren rayının üzerinde bulunan bir kuş tren sesinden korkup kaçarken, rayın dışında duran aynı tür başka bir kuş sesi duymadığı için etkilenmez. Bu durum, trenin sesinin raylarda havadakinden yaklaşık 14 kat daha süratli olmasından kaynaklanır.
Çözüm: Ray katı, hava gaz. Katıda tanecikler birbirine çok daha yakın olduğu için titreşim komşu taneciğe hemen aktarılır ve ses daha büyük süratle yayılır. Raydaki kuş sesi önce alır; havadaki ses ona daha ulaşmamıştır.
Gülin ve babası suyun altındayken yaklaşan bir balıkçı teknesinin motor sesini duyar. Gülin teknenin çok yakından geldiğini düşünür, ama yüzeye çıkınca teknenin sandığı kadar yakın olmadığını görür.
Çözüm: Ses suda havadakinden daha süratli yayılır (sıvıda tanecikler gazdakine göre çok daha yakındır). Ses su altındaki kulağa daha kısa sürede ulaştığı için kaynak yakınmış gibi algılanır. Aynı şekilde su altındaki dalgıç, bir deniz aracının motor sesini motora aynı uzaklıkta bulunan ve su altında olmayan yüzücüden daha önce duyar.
Bir deneyde su içinde titreşen bir kaynakla belli frekans ve şiddette ses dalgaları üretilir. Kaynak yüzeye yakın, orta derinlikte ve dibe yakın olmak üzere üç yere konur; ölçümde dibe yakın noktada sesin süratinin en yüksek olduğu bulunur. Neden?
Çözüm: Basınç arttıkça su molekülleri birbirine yaklaşır, bu da ses dalgalarının daha süratli iletilmesini sağlar. Suyun derin ortamlardaki yoğunluğu ve basıncı yüzeye yakın ortamlarınkine göre daha fazladır; bu yüzden ses derinde daha süratli yayılır. Ayrıca sudaki sıcaklık değişimleri de sesin süratini etkileyebilir: doğal ortamlarda suyun sıcaklığı belirli bir noktaya kadar derinlik arttıkça azalır, bu da yayılma süratini azaltıcı yönde etki eder.
Morötesi ışınlar ile gama ve x ışınlarını algılayan teleskoplar neden Dünya’ya değil de uzaya kurulur?
Çözüm: Bu ışınlar elektromanyetik dalgalardır ve boşlukta ışık hızıyla, hiçbir kayba uğramadan ilerler. Maddesel bir ortama girdiklerinde ise ortalama yayılma süratleri azalır ve büyük bölümü atmosfer tarafından tutulur. Yer yüzeyine kurulan bir teleskop bu ışınların çoğunu hiç göremez; uzaya kurulan teleskop ise onları atmosfere girmeden yakalar.
Şimşek çaktığında şimşeğin ışığı anında görülür fakat sesi bir süre sonra duyulur. Neden?
Çözüm: Işık elektromanyetik, ses mekanik dalgadır ve havadaki süratleri karşılaştırılamayacak kadar farklıdır. Şimşek görüldükten sonra gök gürültüsü duyulana kadar geçen süre ölçülerek fırtınanın uzaklığı yaklaşık olarak hesaplanabilir. Sesin havadaki sürati yaklaşık 340 m/s olduğuna göre 3 saniye beklediysen fırtına yaklaşık 340 · 3 = 1020 m, yani 1 km kadar uzaktadır.
Işığın yol süresi bu hesapta ihmal edilir: 1 km’yi yaklaşık üç milyonda bir saniyede alır.
Rastgele bir durum gelir; sürat hangi yönde değişiyor, seçersin. Yanlışta gerekçe hemen görünür.
Gök gürültülü havada şimşeği görünce saymaya başla. 3 saniye sonra gürültü geliyorsa fırtına yaklaşık 1 km uzakta (340 · 3 ≈ 1020 m). Sayı küçülüyorsa fırtına yaklaşıyor demektir. Işığın süresi ihmal edilir, çünkü elektromanyetik dalga havayı neredeyse anında geçer.
Havuzun dibinde arkadaşınla konuşurken sesler yakından ve boğuk gelir. Sebebi sesin suda havadakinden daha süratli yayılmasıdır: ses kulağına daha erken ulaşır, beynin de kaynağı yakın sanır. Su altındaki dalgıç, tekne sesini yüzeydeki yüzücüden önce duyar.
Sınıfta sıraya kulağını dayayıp diğer ucuna parmakla vurulmasını iste: ses havadan gelenden daha net ve erken duyulur. Sıranın tahtası katı, aradaki oda ise gaz. Aynı deneyi ipli bardak telefonuyla da yapabilirsin — ip gergin olduğunda ses çok daha net.
Denize girdiğinde açıkta dalgalar uzun ve hızlı, kıyıya yakın yerde kısa ve yavaştır. Sebebi derinliğin azalması. Sörfçüler ve yüzücüler bu değişimi bildiği için kıyıya yakın bölgelerde daha dikkatli olur; dalga orada kırılır.
Soğuk bir kış sabahı okul bahçesinde arkadaşına seslenmen daha zordur. Ortamın sıcaklığı arttıkça ses dalgalarının yayılma sürati artar; soğuk havada moleküllerin titreşim enerjisi düşük olduğu için ses daha zor duyulur. Yazın aynı mesafede bağırman yetiyorken kışın yetmemesi bundandır.
Aynı depremde eşit uzaklıktaki iki mahalle sarsıntıyı aynı anda hissetmez. Kayalık zemindeki bölge, deprem dalgasını toprak zemindeki bölgeden daha önce hisseder — çünkü sert ortamlarda deprem dalgası daha büyük süratle yayılır. Erken uyarı sistemleri bu sürat farkından yararlanır.
Büyük bir stadyumun karşı tribününde başlayan tezahürat sana bir an sonra ulaşır. 200 m’lik bir mesafeyi ses yaklaşık 0,6 saniyede alır (200 / 340). Televizyonda maçı izleyen biri ise sesi elektromanyetik dalgayla alır; onun gecikmesi sesin havadaki gecikmesinden değil, yayın sisteminden gelir.
Tekne altındaki sonar cihazı suya ses dalgası gönderip yansımasını dinler. Sesin sudaki süratini bildiği için gidiş-dönüş süresinden derinliği hesaplar. Bu cihaz havada işe yaramaz; suyla havanın ses süratleri farklıdır ve hesap ona göre kurulur.
Konum bulan uygulama, uydulardan gelen elektromanyetik sinyalin yol süresini ölçer. Bu sinyaller boşlukta ışık hızıyla gelir; atmosfere girince hafifçe yavaşlar ve bu gecikme hesaba katılmazsa konum kayar. Kalın bulut ya da yoğun bina arasında konumun sapmasının bir sebebi budur.
Ses, su, deprem ve elektromanyetik dalgaların yayılma süratini etkileyen etmenler üzerine test
Dalgaların yayılma sürati yayıldıkları ortamın fiziksel özelliğine göre değişiklik gösterir. Ortamın yoğunluğu, esnekliği ve sıcaklığı dalgaların yayılma süratini doğrudan etkiler.
Mekanik dalgaların sürati ortamın esneklik özelliğinin artmasıyla artar, yoğunluğunun artmasıyla azalır.
Sürat ortamın, frekans kaynağındır.
Ses dalgası, madde moleküllerinin birbirine en yakın olduğu katı ortamda en yüksek süratle yayılırken gaz ortamda en düşük süratle yayılır.
katı > sıvı > gaz
Taneciklerin arasındaki mesafe arttıkça sürat azalır, mesafe azaldıkça artar. Ortamın sıcaklığı arttıkça ses dalgalarının yayılma sürati artar.
Su dalgalarının yayılma sürati su derinliği arttıkça artar, su derinliği azaldıkça azalır.
Açık denizdeki dalganın sürati sahil gibi sığ bölgelere yaklaştıkça azalır; dalga boyu da kısalır.
Deprem dalgaları, sert zeminlerde yumuşak zeminlere göre daha büyük süratle yayılır.
Depremin meydana geldiği alana aynı uzaklıkta bulunan kayalık bölge, deprem dalgasını toprak bölgeden daha önce hisseder.
Elektromanyetik dalgalar boşlukta ışık hızıyla yayılır.
Boşluktan maddesel ortama geçtiğinde ortamın yoğunluğunun artmasıyla dalgaların yayılma sürati azalır.
Mekanik dalgada madde gerekli, elektromanyetik dalgada madde yavaşlatıcı.
Rayda ses: havadakinin yaklaşık 14 katı süratle gider.
Dron örneği: c₃ > c₁ > c₂ ⟹ d₂ < d₁ < d₃
Üç leğen: dalga sayısı sürati değiştirmez; derinlik artınca sürat artar.
Suda derinlik: basınç ve yoğunluk artınca moleküller yaklaşır → sürat artar.
Şimşek: 3 s bekleme ⟹ 340 · 3 ≈ 1020 m.