Dalgakıran, dalgayı durdurmaz — yönünü değiştirir
Kıyıdaki yapıları, tekneleri ve yerleşim alanlarını dalgaların yıpratıcı etkisinden korumak için yapılan uzun setlere dalgakıran denir. Dalgakıranlarda su dalgalarının katı bir yüzeye çarptığında yansıma özelliğinden yararlanılır: dalganın yönü değişir ve enerjisi büyük oranda azalır. Bu sayfada dalgaların engelden yansıması ve farklı derinliğe geçerken kırılması var.
Bir cetvel, leğenin bir kenarına paralel şekilde tutulur ve periyodik olarak suya batırılıp çıkarılırsa su yüzeyindeki her noktada eş zamanlı ve aynı yönde hareket eden dalgalar meydana gelir. Oluşan bu periyodik dalgalara doğrusal su dalgaları denir.
Yandan bakıldığında dalganın tepe noktası, çukur noktası, genliği ve dalga boyu görülür — bunlar önceki ünitelerden tanıdık.
Dalga leğeni, cam tabandan oluşan ve içinde su bulunan bir kaptır. Kenarındaki motora bağlı titreştirici doğrusal su dalgaları üretir.
Dalga leğeni üstten paralel ışın demetiyle aydınlatıldığında dalga tepelerinin altında aydınlık, dalga çukurlarının altında karanlık bölgeler oluşur. Dalga leğeninin altında bulunan beyaz ekran üzerinde birbirini takip eden aydınlık ve karanlık bölgeler görünür.
Yani ekranda gördüğün çizgiler dalganın kendisi değil, gölgesidir: iki aydınlık çizgi arası bir dalga boyudur. Leğenin yarısına cam levha konursa o bölge sığ olur ve orada çizgiler sıklaşır — çünkü dalga boyu kısalır.
Dalgaların bir engele çarparak aynı ortama dönmesine yansıma denir.
Sabit derinliğe sahip bir dalga leğeninde gerçekleşen yansıma olayında dalganın frekansı, hızı ve dalga boyu değişmez fakat dalganın yönü değişir. Dalganın frekansı, kaynağın frekansına bağlıdır.
Yansımada ortam değişmiyor — dalga aynı suya geri dönüyor. Ortam değişmediği için sürat de değişmez; sürat sabit ve frekans sabitse dalga boyu da sabit kalır. Değişen tek şey yöndür.
Gelen dalgaların ilerleme doğrultusunun engel ile birleştiği noktada yüzeye dik olarak çizilen doğruya yüzey normali (N) denir.
Gelen dalganın ilerleme doğrultusunun yüzey normali ile yaptığı açıya gelme açısı (i), yansıyan dalganın ilerleme doğrultusunun yüzey normali ile yaptığı açıya ise yansıma açısı (r) denir.
i = r
Gelen ve yansıyan dalgaların yüzey normali ile yaptığı açılar birbirine eşittir. Gelen dalga, yansıyan dalga ve yüzeyin normali aynı düzlemdedir.
Dalganın hareket doğrultusunun engel ile yaptığı açı, gelme açısına (i); yansıyan dalganın hareket doğrultusunun engel ile yaptığı açı, yansıma açısına (r) eşittir.
Sorularda açı bazen normalle, bazen engelin kendisiyle verilir. İkisi birbirinin tümleyenidir: normal, yüzeye diktir, yani aralarında 90° vardır.
engelle yapılan açı + gelme açısı = 90°
Dalga yüzeyle 30° yapıyorsa gelme açısı 90° − 30° = 60°’dir. Şekilde “30°” yazması, gelme açısının 30° olduğu anlamına gelmez. Önce açının hangi çizgiyle ölçüldüğüne bak.
Kaydırağı çevir: gelen dalga engele farklı açılarla gelsin. Gelme açısı ile yansıma açısının hep eşit kaldığını ve engelle yapılan açının 90°’ye tamamladığını aynı anda gör.
1. Engele paralel gelen dalga: Düz engele paralel gelen doğrusal su dalgaları engele çarptıktan sonra engele yine paralel olarak yansır. Gelme açısı 0° olduğundan dalga kendi üzerinden yansır.
2. Dalganın uçları sırayla çarpar: Bir KLM dalgası engele eğik geliyorsa önce M noktası, sonra sırayla L ve K noktaları engele çarpar. Bu süreçte dalganın her bir noktası engelden farklı zamanlarda yansır. Yansıyan dalganın düzgün bir doğru olarak çıkmasının sebebi budur.
Su dalgalarındaki yansıma olayına benzer olarak ses dalgalarında da yansıma olayı gerçekleşir. Ses dalgalarının belirli bir mesafedeki sert ve düzgün yüzeylere çarpıp yansıması ile oluşan ikinci sese yankı adı verilir.
Yankı genellikle geniş ve boş alanlarda ya da dağlık bölgelerde meydana gelir. Örneğin dağlık bir alanda bağırıldığında birkaç saniye sonra aynı ses tekrar duyulur; bu, sesin dağ yüzeyine çarpıp geri dönmesiyle oluşur.
en az 17 m
Yankının net bir şekilde algılanabilmesi için sesin kaynağı ile engel arasında en az 17 m mesafe bulunmalıdır.
Günlük hayatta yankı, denizaltı ve gemilerde denizin altındaki uzaklıkların hesaplanmasında ve ultrason cihazlarıyla vücudun iç yapısının incelenmesinde kullanılmaktadır.
17 m sınırının sebebi kulağındır: ses 17 m’yi gidip gelene kadar 34 m yol alır ve bu yaklaşık 0,1 saniye sürer. Beynin iki sesi ayrı ayrı duyabilmesi için aradaki farkın bu kadar olması gerekir; daha yakın engelde ses ayrı bir ses değil, sadece uzamış bir ses olarak duyulur.
Derinlikleri farklı olan bir ortamdan diğerine geçen su dalgalarının yön değiştirmesine dalgaların kırılması denir. Su dalgalarının kırılması olayında iki ortamı ayıran yüzeye ayırıcı yüzey adı verilir. Gelen dalga, kırılan dalga ve yüzeyin normali aynı düzlemdedir.
Farklı derinlikteki bir ortama geçen dalgaların yayılma sürati değişikliğe uğrar. Sürat değişimi, dalgalar ayırıcı yüzeye 90° açı ile gelmiyorsa dalgaların yön değiştirmesine (kırılmasına) neden olur.
kırılmada λ ve yön değişir, f DEĞİŞMEZ
Kırılma olayında dalga boyu ve dalganın yönü değişir ancak frekansı değişmez.
Su dalgaları derin ortamdan sığ ortama geçerken yavaşlar. Bu durumda dalga boyu kısalır (λs < λd) ve su dalgaları yüzey normaline yaklaşarak kırılır.
Kırılan dalganın yüzey normali ile yaptığı açı, yayılma sürati ve dalga boyu azalır.
Sığ ortamdan derin ortama geçen su dalgalarının sürati artar. Böylece dalga boyu uzar ve su dalgaları yüzey normalinden uzaklaşarak kırılır.
Kırılan dalganın yüzey normali ile yaptığı açı, yayılma sürati ve dalga boyu artar.
Ayırıcı yüzeyden paralel olarak geçen su dalgalarının dalga boyu ve sürati değişir fakat yayılma doğrultusu değişmez.
Yani dalga yavaşlar ya da hızlanır, dalga boyu değişir — ama kırılmaz, dosdoğru devam eder. Bunun sebebi dalganın her noktasının aynı anda yeni ortama girmesidir: kimse ötekinden önce yavaşlamadığı için dönme olmaz.
Aşağıda üç durum var. Birini seç, kaydırakla gelme açısını değiştir: dalga boyunun, açının ve süratin birlikte nasıl değiştiğini izle. Frekansın hiç değişmediğine dikkat et.
Düz bir engele farklı doğrultularda gönderilen KLM doğrusal su dalgası için gelme ve yansıma açıları:
Üçünde de yapılan tek iş aynı: açı engelle mi normalle mi verilmiş, ona bakmak. Sonrasında yasa tek satır: i = r.
Düşey duran 1. engele gönderilen AOB doğrusal su dalgası, engelle 30°lik açı yapıyor. Dalga 1. engelden yansıdıktan sonra, 1. engele dik duran 2. engele çarpıp yansıyor. 2. engeldeki yansıma açısı kaç derecedir?
Çözüm: Dalga 1. engelle 30° yaptığına göre 1. engeldeki gelme açısı 90° − 30° = 60°, yansıma açısı da 60°’dir. İki engel birbirine dik olduğu için birinin normali ötekinin yüzeyine paraleldir; bu yüzden iki engeldeki gelme açıları 90°’ye tamamlanır. Buradan 2. engeldeki gelme açısı 90° − 60° = 30°, dolayısıyla yansıma açısı da 30° olur.
Dalga leğeninin bir bölümüne cam levha konarak iki farklı derinlik elde ediliyor. Sığ ortamda oluşturulan KLM doğrusal su dalgası derin ortama geçtiğinde nasıl ilerler?
Çözüm: Sığ ortamdan derin ortama geçen su dalgalarının yayılma sürati ve dalga boyu artar. Dalgalar, bu geçiş sırasında yüzey normalinden uzaklaşarak kırılır; yani kırılma açısı gelme açısından büyüktür (θ₁ < θ₂).
Dalganın K ucu ayırıcı yüzeye L ve M noktalarından daha yakın olduğu için derin ortama ilk o girer ve orada daha süratli yayılır. Bu yüzden derin ortamda K ucu, L ve M noktalarına göre ayırıcı yüzeyden daha uzakta olur. Sonra sırasıyla L ve M noktaları da derin ortama girip süratlenir ve dalga bu şekilde döner.
Kırılmanın neden olduğunun cevabı bu: dalga cephesinin uçları farklı zamanlarda hızlandığı için cephe döner. Cephenin tamamı aynı anda girseydi (paralel geliş) hiç dönmezdi.
Derinlikleri farklı X, Y ve Z ortamlarındaki dalga boyları sırasıyla λx, λy, λz. Dalga boyu en büyük olan ortam hangisiyse derinliği de en büyüktür. Neden?
Çözüm: Kırılmada frekans değişmez; kaynak aynı olduğu için üç ortamda da f aynıdır. ϑ = λ · f bağıntısında f sabit olduğuna göre dalga boyu büyük olan ortamda sürat de büyüktür. Su dalgalarında derinlik arttıkça sürat arttığı için dalga boyu sıralaması, doğrudan derinlik sıralamasıdır.
Rastgele bir durum gelir; doğru cevabı seçersin. Yanlışta gerekçe hemen görünür.
Tatilde gördüğün o uzun taş set boşuna değil: dalgakırana çarpan su dalgalarının yönü değişir ve enerjisi büyük oranda azalır. Böylece sahildeki aşınma ve kıyıda demirlemiş kayık, gemi gibi araçların zarar görmesi önlenir. Her kıyıya yapılmamasının sebebi, kıyının derinliğine ve dalga yönüne göre gerekip gerekmediğidir.
Kamp yaparken karşı yamaca bağırdığında sesin geri gelmesi yankıdır: ses sert ve düzgün bir yüzeye çarpıp geri döner. Kayanın en az 17 m uzakta olması gerekir; daha yakınsa iki sesi ayrı ayrı duyamazsın. Boş bir spor salonunda sesin “çınlaması” da aynı olayın küçüğüdür.
Ultrason cihazlarıyla vücudun iç yapısının incelenmesi yankı ilkesine dayanır: cihaz ses dalgası gönderir, dokulardan yansıyanı dinler ve gecikmelerden görüntü kurar. Aynı yöntem denizaltı ve gemilerde denizin altındaki uzaklıkların hesaplanmasında kullanılır.
Denize girdiğinde dalgaların kıyıya neredeyse hep paralel geldiğini fark etmişsindir. Sebebi kırılma: dalga sığlaştıkça yavaşlar ve normale yaklaşarak döner. Açıkta eğik gelen dalga, kıyıya vardığında düzelmiş olur. Sörfçülerin “dalga nerede kırılıyor” diye bakması tam olarak bu noktayı arar.
Havuzun sığ ucuna doğru eliyle dalga gönderirsen dalgaların sıklaştığını görürsün: sığ bölgede dalga boyu kısalır. Frekansı sen belirlediğin (elini kaç kez salladığın) için frekans değişmez; değişen sürat ve dalga boyudur.
Leğenin altındaki beyaz ekranda aydınlık ve karanlık şeritler görünür: aydınlık olanlar dalga tepelerinin, karanlık olanlar çukurların altındadır. Leğenin yarısına cam levha koyunca o tarafta şeritler sıklaşır — sığ bölgede dalga boyu kısaldığı için.
Kapalı salonda ses duvarlara çarpıp yansır. Bu yüzden konser salonlarının duvarlarına ses yutan panolar konur: amaç yankıyı azaltmaktır. Aynı sebeple sınıfta boşken konuşman çınlar, sınıf dolduğunda çınlamaz — insanlar sesi yansıtmak yerine soğurur.
Sonar suya ses dalgası gönderip dipten yansıyanı dinler; gidiş-dönüş süresinden derinliği ve balık sürüsünün yerini bulur. Bu, dalga leğenindeki yansıma deneyinin denize taşınmış hâlidir.
Havuzun dibi olduğundan daha sığ görünür ve suya sokulan bir sopa kırılmış gibi durur. Bu, ışığın kırılmasıdır — su dalgasındaki kırılmayla aynı mantık: dalga bir ortamdan diğerine geçerken sürati değişir ve yön değiştirir. Fark, orada dalganın ışık olmasıdır.
Su dalgalarında yansıma yasaları, yankı ve kırılma yasaları üzerine test
Leğenin kenarına paralel tutulan bir cetvel periyodik olarak suya batırılıp çıkarılırsa su yüzeyindeki her noktada eş zamanlı ve aynı yönde hareket eden dalgalar oluşur. Bunlara doğrusal su dalgaları denir.
Dalga leğeni üstten aydınlatıldığında ekranda tepelerin altı aydınlık, çukurların altı karanlık görünür.
Dalgaların bir engele çarparak aynı ortama dönmesine yansıma denir.
Değişmeyen: frekans, hız, dalga boyu. Değişen: yalnız yön.
i = r
Gelen dalga, yansıyan dalga ve yüzeyin normali aynı düzlemdedir. Engelle yapılan açı ile gelme açısı 90°’ye tamamlanır.
Ses dalgalarının belirli bir mesafedeki sert ve düzgün yüzeylere çarpıp yansıması ile oluşan ikinci sese yankı denir.
Kaynak ile engel arasında en az 17 m mesafe bulunmalıdır.
Kullanımı: denizaltı ve gemilerde uzaklık hesabı, ultrason cihazlarıyla vücudun iç yapısının incelenmesi.
Derinlikleri farklı olan bir ortamdan diğerine geçen su dalgalarının yön değiştirmesine kırılma denir. İki ortamı ayıran yüzey ayırıcı yüzeydir.
Değişen: dalga boyu, sürat, yön. Değişmeyen: frekans.
Sürat değişimi, dalgalar ayırıcı yüzeye 90° açı ile gelmiyorsa kırılmaya neden olur.
Derin → sığ: yavaşlar, dalga boyu kısalır, normale yaklaşarak kırılır; açı azalır.
Sığ → derin: hızlanır, dalga boyu uzar, normalden uzaklaşarak kırılır; açı artar.
Ayırıcı yüzeye paralel gelirse: dalga boyu ve sürat değişir, yayılma doğrultusu değişmez.
Engele paralel gelen dalga: i = 0°, r = 0° — dalga kendi üzerinden yansır
Yüzeyle 30° yapan dalga: i = 90° − 30° = 60°, r = 60°
Engelle 40° yapan dalga: i = 90° − 40° = 50°, r = 50°
Birbirine dik iki engel: 1. engelde i = 60° ise 2. engelde i = r = 30°
(gelme açıları 90°’ye tamamlanır)