Hullám

A hullám egy rendszer olyan állapotváltozása, amely időben és/vagy térben periodikus (vagyis szabályosan ismétlődő). A mechanikai hullámok mindig valamilyen közegben terjednek (pl.: levegő, víz, szilárd test), szemben az elektromágneses és gravitációs hullámokkal, amikhez nem kell közeg. A hullámok energiát szállítanak anélkül, hogy a közegben lévő részecskék tovaterjednének. Ehelyett a mechanikai hullámban a részecskék egy fix pont körül rezegnek, az elektromágneses hullámban az elektromos térerősség- illetve a mágneses térerősségvektor változik periodikusan. A hullámban tehát energia terjed, de anyag nem.

A hullámok osztályozása 
A hullámokat több szempont szerint osztályozhatjuk:
 Aszerint, hogy azokban milyen természetű zavaró hatás megy végbe:
 Mechanikai hullámok: ha mechanikai állapotváltozások terjednek.
 Elektromágneses hullámok: ha elektromágneses természetű a perturbáció.
 Gravitációs hullámok: fodrozódások a téridőben, amiket gyorsuló tömegek keltenek.
 Aszerint, hogy hány dimenziós a közeg, amiben haladnak:
 Egydimenziós pl: gumikötél
 Kétdimenziós pl: vízfelszín
 Háromdimenziós pl: a levegőben
 A bennük terjedő rezgések iránya szerint:
Transzverzális hullámok: a hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek. Ilyenek például egy húron terjedő hullámok, vagy a szabad elektromágneses hullámok.
Longitudinális hullámok: a terjedési iránnyal párhuzamosan rezegnek. Például ilyen a hanghullám.

Közvetítő közeg 

A hullámok közvetítő közegét az alábbi tulajdonságok közül jellemezhetjük valahánnyal:
 lineáris közeg, ha a különböző hullámok amplitúdói bármely pontban összeadhatóak.
 zárt közeg, ha véges méretű, egyébként nyílt.
 egynemű közeg, (homogén) ha fizikai tulajdonságai mindenhol ugyanazok.
 izotróp közeg, ha fizikai tulajdonságai ugyanazok minden irányban (iránytól függetlenek).

Példák hullámokra 

 Óceáni felszíni hullámok, amik a víz felszínén terjedő zavarok lásd: szörfözés és cunami).
 A rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, Röntgensugárzás, és gamma-sugárzás mind elektromágneses sugárzások. Ebben az esetben a terjedés közvetítő közeg nélkül, a vákuumon keresztül is lehetséges, ahol ezek a hullámok fénysebességgel terjednek.
 A hang olyan longitudinális mechanikai hullám, ami a levegőben, folyadékban vagy szilárd anyagban terjed. Az emberi fül által hallható hangokat a levegő közvetíti. 
 A földrengéshullámok a földkéregben felgyülemlett energia felszabadulásakor keletkező lökéshullámok. 
 Gravitációs hullámok, amik a gravitációs mező ingadozásai az általános relativitáselmélet jóslata szerint. Ezek a hullámok nemlineárisak és először 2015-ben figyelték meg őket közvetlenül.

Jellegzetes hullámtulajdonságok

Alapjelenségek 

Mindenféle hullámra jellemzőek a következő alapjelenségek:
 Egyenesvonalú terjedés – a hullám egyenes vonalú terjedése homogén közegben.
 Visszaverődés – a hullám irányának megváltozása a felületen – ahol a közeg tulajdonságai megváltoznak – való áthaladás nélkül.
 Törés – a hullám irányának megváltozása a felületen – ahol a közeg tulajdonságai megváltoznak – való áthaladással.
 Elhajlás – a hullámhosszhoz hasonló méretű nyíláson áthaladó hullám körkörös „irányban” való továbbterjedése, szétterjedése.
 Interferencia – két találkozó hullám szuperpozíciója, fázishelyes összeadódása (kioltás is lehetséges a helytől függően).
 Diszperzió – a több komponenst tartalmazó hullám frekvenciák szerinti szétszóródása.

Transzverzális és longitudinális hullámok 
A transzverzális hullámok a hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek. Ilyenek például egy húron terjedő hullámok, vagy a szabad elektromágneses hullámok.

A longitudinális hullámok a terjedési iránnyal párhuzamosan rezegnek. Például ilyen a gázokban és a folyadékokban terjedő hanghullám.

A vízhullámok a longitudinális és transzverzális hullámok kombinációi, ennek következtében a felszín pontjai elliptikus pályát járnak be.

Polarizáció 

A polarizáció a transzverzális hullámok jellemzője. A térben a hullám terjedésére merőlegesen két irány lehetséges, az olyan hullámcsomagot, amelyik szigorúan kiválasztott irányban rezeg csak síkban polarizált vagy lineárisan polarizált hullámnak nevezzük. A természetes fény nem polarizált, a beérkező hullámcsomagok mindenféle polarizációjának keveréke.

Két merőleges irányú rezgés fáziseltolt összeadásával létrehozható az un. körpolarizált vagy cirkulárisan polarizált állapot is. Ilyenek a határozott impulzusmomentum állapotban levő fotonok (azaz nem minden foton).

A hullámok fizikai leírása 

A hullámokat számos bevett változóval leírhatjuk, köztük olyanokkal mint a frekvencia, hullámhossz, amplitúdó és periódusidő. Az amplitúdó a hullám maximális kitérésének nagysága egy hullámcikluson belül. A hullámfajtától függően mérhetjük méterben, mint egy húr rezgései esetén, nyomásegységben, mint hanghullámok esetén vagy elektromos térerősség egységben (volt/méter), mint az elektromágneses hullámok esetén. Az amplitúdó lehet állandó, vagy változhat a hellyel és/vagy idővel. Az amplitúdó változásának alakját a hullám burkológörbéjének nevezzük.

A hullámhossz () a hullám két szomszédos azonos fázisú pontja - pl. egymást követő maximuma (vagy minimuma) -közötti távolság. A látható fény esetében ezt általában nanométerben adjuk meg. A periódusidő () egy teljes hullámoszcillációhoz (például egyik maximumtól a következő maximumig) szükséges időtartam. A frekvencia () azt adja meg, hány periódusa megy végbe a hullámnak adott idő (például 1 másodperc) alatt és hertzben mérjük. A frekvencia és a periódusidő kapcsolata a következő:

azaz más szavakkal a periódusidő és a frekvencia egymás reciprokai. A hullámok leírásakor nagyon gyakran a körfrekvenciát használjuk, ami a frekvenciával a következő összefüggésben áll:

.

A körfrekvencia azt adja meg, hogy a leíráshoz használt szögváltozó (a hullám fázisa) mennyit változik egy periódusidő alatt és radián per másodpercben (rad/s) mérjük.

Haladó hullámok 

Az egy helyben maradó minimumhelyű hullámokat állóhullámoknak – például a hegedűhúr rezgése – hívjuk. A térben valamerre elmozduló minimum-, és maximumhelyű hullámokat haladó hullámoknak nevezzük. Az utóbbiakat térben és időben egyaránt változó kitérések jellemzik. A haladó síkhullámot így írhatjuk le:

ahol A(r,t) az amplitúdó burkológörbéje,  a hullámszám és  a kezdőfázis. A hullám  sebességét

adja meg, ahol  a hullámhossz. Az állóhullámok leírhatók haladó hullámok interferenciájaként.

Terjedés egy húr mentén 
Egy húr mentén terjedő longitudinális hullám sebessége () függ a rugalmassági modulustól () és a sűrűségtől ():

A hullámegyenlet

Jegyzetek

További információk 

 Kísérletek: Rezgések, hullámok, hangtan  ELTE
 Budó Á.: Kísérleti fizika I, III., Tankönyvkiadó, Bp. 1992
 Jenkins F. A., White H .E.: Fundamentals of Optics, McGraw-Hill, Auckland, 1976
 Möller K.D.: Optics, Cal Univ. Sci., Mill Valley, 1988
 Veit, Ivar. Műszaki akusztika. Műszaki könyvkiadó (1977)
 Diagram Group: Facts on File Physics Handbook. New York: Facts on File, 2006
 Magyarított Flash szimuláció a haladó hullám matematikai leírásának szemléletesítésére. Szerző: David M. Harrison
 Magyarított Flash szimuláció állóhullámokról egy kör kerülete mentén. Szerző: David M. Harrison
 Rezgések és hullámok fényképei a FizKapu portálon.
 Fizikakönyv.hu – Mechanikai hullámok

Fizikai alapfogalmak