miniatuur|Enkelvoudige harmonische trilling
Een golf is een zich voortplantende verstoring of verandering van een plaats- en tijdsafhankelijke fysische grootheid, zoals druk, hoogte, temperatuur of een elektrisch veld. In de natuurkunde wordt zo'n grootheid vaak beschreven als een veld. Een golf ontstaat doordat een verandering op één plaats met enige vertraging invloed heeft op aangrenzende plaatsen, waardoor de verstoring zich met een eindige snelheid kan voortplanten.
Er bestaat geen enkele definitie die alle soorten golven volledig omvat; daarom worden golven vaak beschreven aan de hand van hun gemeenschappelijke eigenschappen en voorbeelden. Men onderscheidt onder meer mechanische golven, die aan een medium zoals lucht, water of metaal gebonden zijn, en golven die zich ook in het vacuüm kunnen voortplanten, zoals elektromagnetische straling en zwaartekrachtgolven. Ook materiegolven worden in de natuurkunde als golven beschreven.
Niet alle golven bestaan uit een verplaatsing van materie. Zo kunnen ook veranderingen in temperatuur, chemische concentratie of elektromagnetische velden zich als golf voortplanten. Fysische eigenschappen
Voortplanting Golfvoortplanting is de manier waarop golven zich verplaatsen. Op basis van de richting van de trilling ten opzichte van de voortplantingsrichting kan onderscheid worden gemaakt tussen transversale golven en longitudinale golven.
Bij een transversale golf staat de richting waarin de deeltjes in het medium trillen loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf. Hierdoor ontstaat een opeenvolging van bergen en dalen. Bij een longitudinale golf trillen de deeltjes van het medium evenwijdig aan de voortplantingsrichting. Hierdoor ontstaat een opeenvolging van verdichtingen en verdunningen.
Elektromagnetische golven kunnen zich zowel in een vacuüm als in materiële media voortplanten. Andere soorten golven, zoals geluidsgolven, kunnen zich alleen voortplanten in een medium.
Reflectie van vlakke golven in een halfruimte De voortplanting en reflectie van vlakke golven, bijvoorbeeld drukgolven (P-golven) of schuifgolven (S-golven, SH- of SV-golven), zijn verschijnselen die oorspronkelijk werden beschreven binnen de klassieke seismologie. Tegenwoordig worden ze beschouwd als fundamentele begrippen binnen de moderne seismische tomografie. Voor dit probleem bestaat een bekende analytische oplossing. De oplossing in het frequentiedomein kan worden verkregen door eerst de Helmholtz-decompositie van het verplaatsingsveld te bepalen en deze vervolgens in de golfvergelijking te substitueren.
Voortplanting van SV-golven miniatuur|upright=1.4|De voortplanting van een SV-golf in een homogene halfruimte: het horizontale verplaatsingsveld. miniatuur|upright=1.4|De voortplanting van een SV-golf in een homogene halfruimte: het verticale verplaatsingsveld.
De analytische oplossing voor een SV-golf in een halfruimte laat zien dat een invallende vlakke SV-golf in het algemeen wordt gereflecteerd als zowel een P-golf als een SV-golf, met uitzondering van enkele bijzondere gevallen. De hoek van de gereflecteerde SV-golf is gelijk aan de invalshoek, terwijl de hoek van de gereflecteerde P-golf groter is dan die van de SV-golf. Bij dezelfde frequentie is de golflengte van een SV-golf kleiner dan die van een P-golf. Dit wordt weergegeven in de animatie.De animaties zijn afkomstig van
Voortplanting van P-golven Een P-golf is een drukgolf: het materiaal wordt afwisselend samengedrukt en uitgerekt in dezelfde richting als waarin de golf zich voortplant. Wanneer zo'n P-golf een grensvlak bereikt, bijvoorbeeld tussen twee verschillende aardlagen of aan een oppervlak, wordt de golf meestal gedeeltelijk teruggekaatst.
Bij die terugkaatsing kan de golf veranderen. Een deel blijft een P-golf, maar een ander deel kan worden omgezet in een S-golf. Dat betekent dat de beweging van het materiaal niet meer alleen in de voortplantingsrichting plaatsvindt, maar ook dwars daarop. In bijzondere gevallen, bijvoorbeeld bij een bepaalde invalshoek of bij de overgang tussen twee media, kan de verdeling tussen deze gereflecteerde golven anders zijn.
Golfsnelheid Golfsnelheid is een algemene term voor verschillende snelheden die bij golven kunnen optreden, zoals de snelheid van de fase en de snelheid waarmee energie en informatie zich verplaatsen. De fasesnelheid wordt gegeven door:
waarbij: de fasesnelheid is, met als SI-eenheid m/s; de hoekfrequentie is, met als SI-eenheid rad/s; het golfgetal is, met als SI-eenheid rad/m.
De fasesnelheid geeft aan met welke snelheid een punt met constante fase van de golf zich voortplant bij een bepaalde frequentie. De hoekfrequentie kan niet onafhankelijk van het golfgetal worden gekozen; beide grootheden zijn aan elkaar gekoppeld via de dispersierelatie:
In het bijzondere geval , waarbij een constante is, worden de golven niet-dispersief genoemd, omdat alle frequenties zich met dezelfde fasesnelheid voortplanten. Elektromagnetische golven in een vacuüm zijn bijvoorbeeld niet-dispersief. Bij andere vormen van de dispersierelatie spreekt men van dispersieve golven. De dispersierelatie hangt af van het medium waarin de golven zich voortplanten en van het soort golf, zoals elektromagnetische golven, geluidsgolven of watergolven.
De snelheid waarmee een resulterend golfpakket met een smal frequentiebereik zich voortplant, wordt de groepssnelheid genoemd. Deze wordt bepaald uit de gradiënt van de dispersierelatie:
In bijna alle gevallen is een golf vooral een verplaatsing van energie door een medium. Vaak is de groepssnelheid de snelheid waarmee deze energie zich door het medium verplaatst.
miniatuur|rechts|upright|Een lichtbundel vertoont reflectie, refractie, transmissie en dispersie wanneer deze op een prisma valt.
Golven vertonen onder bepaalde omstandigheden gemeenschappelijke eigenschappen, zoals transmissie, absorptie, reflectie, refractie, diffractie, interferentie, polarisatie, dispersie en het dopplereffect.
Transmissie en media In een homogeen medium bewegen golven zich vaak in een rechte lijn. Zulke media kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld: een begrensd medium, wanneer het medium een eindige omvang heeft, of een onbegrensd medium wanneer dat niet het geval is; een lineair medium, wanneer de amplitudes van verschillende golven op een bepaald punt in het medium bij elkaar kunnen worden opgeteld; een uniform of homogeen medium, wanneer de fysische eigenschappen op verschillende plaatsen in de ruimte onveranderd blijven; een anisotroop medium, wanneer een of meer fysische eigenschappen verschillen afhankelijk van de richting; een isotroop medium, wanneer de fysische eigenschappen in alle richtingen gelijk zijn.
Absorptie Golven worden meestal beschreven in media waarin het grootste deel of alle energie van de golf zich zonder verlies kan voortplanten. Materialen kunnen echter ook energie uit een golf opnemen, meestal door deze energie om te zetten in warmte. Dit verschijnsel wordt absorptie genoemd. Een materiaal dat energie van een golf absorbeert, tijdens transmissie of reflectie, wordt gekarakteriseerd door een complexe brekingsindex. De mate van absorptie hangt meestal af van de frequentie of golflengte van de golf. Dit verklaart bijvoorbeeld waarom voorwerpen een bepaalde kleur kunnen hebben.
Reflectie Wanneer een golf, zoals een lichtstraal, een glad grensvlak tussen twee media raakt, kan een deel van de golf worden teruggekaatst. Dit verschijnsel heet reflectie. Bij reflectie is de hoek tussen de invallende golf en de normaal op het oppervlak gelijk aan de hoek tussen de gereflecteerde golf en diezelfde normaal. Dit staat bekend als de wet van reflectie.
Refractie miniatuur|rechts|200px|Een sinusvormige vlakke golf die onder een hoek een gebied met lagere golfsnelheid binnengaat. De afname van de golflengte en de richtingsverandering zijn voorbeelden van refractie.
Refractie, of breking, treedt op wanneer een golf van het ene medium naar een ander medium overgaat en daarbij van snelheid verandert. Het doorgelaten deel van de golf kan daardoor ook van richting veranderen. De mate waarin een golf wordt gebroken, wordt bepaald door de brekingsindex van het materiaal. De richting van de invallende en de gebroken golf worden met elkaar in verband gebracht door de wet van Snellius.
Diffractie Een golf vertoont diffractie wanneer zij de rand van een obstakel passeert of door een opening gaat en zich daarna verspreidt of afbuigt. Fysisch gezien ontstaat diffractie door de superpositie van verschillende delen van hetzelfde golffront. Diffractie-effecten zijn het duidelijkst wanneer de grootte van het obstakel of de opening vergelijkbaar is met de golflengte van de golf.
Interferentie miniatuur|Identieke golven uit twee bronnen vertonen interferentie. Onderaan zijn vijf posities te zien waar de golven in fase optellen; daartussen zijn ze uit fase en heffen ze elkaar op.
Wanneer golven elkaar in een lineair medium kruisen, gaan ze in het algemeen door alsof de andere golf niet aanwezig is. Op elk punt in dat gebied worden de veldgrootheden die de golven beschrijven echter bij elkaar opgeteld volgens het superpositiebeginsel. Dit verschijnsel heet interferentie.
Interferentie beschrijft meestal de superpositie van golven die afkomstig zijn van verschillende bronnen, zoals bij een dubbelspleetexperiment. Als de golven dezelfde frequentie hebben en een vaste faserelatie bezitten, ontstaan er plaatsen waar de golven in fase zijn en hun amplitudes elkaar versterken, en plaatsen waar ze uit fase zijn en elkaar gedeeltelijk of volledig uitdoven. Dit patroon wordt een interferentiepatroon genoemd.
Polarisatie miniatuur|links
Polarisatie treedt op bij golven die in meer dan één richting dwars op hun voortplantingsrichting kunnen trillen. Transversale golven kunnen daarom gepolariseerd zijn. Wanneer de term polarisatie zonder nadere toelichting wordt gebruikt, verwijst deze meestal naar lineaire polarisatie. Een transversale golf is lineair gepolariseerd wanneer zij slechts in één richting of vlak trilt.
Bij lineaire polarisatie is het vaak nuttig om de oriëntatie van dat vlak aan te geven, loodrecht op de voortplantingsrichting. Zo kan men spreken van horizontale polarisatie wanneer het polarisatievlak evenwijdig is aan de grond. Elektromagnetische golven die zich door de vrije ruimte voortplanten zijn transversaal en kunnen worden gepolariseerd met behulp van een polarisatiefilter.
Longitudinale golven, zoals geluidsgolven, vertonen geen polarisatie. Bij deze golven is er slechts één trillingsrichting, namelijk langs de voortplantingsrichting.
Dispersie miniatuur|rechts|270px|Schematische voorstelling van licht dat door een prisma wordt verspreid.
Dispersie is de afhankelijkheid van de brekingsindex van de frequentie, als gevolg van de atomaire aard van materialen. Een golf ondergaat dispersie wanneer de fasesnelheid of de groepssnelheid afhangt van de frequentie van de golf. Dispersie is zichtbaar wanneer wit licht door een prisma wordt geleid, waardoor het kleurenspectrum van de regenboog ontstaat. Isaac Newton was de eerste die inzag dat dit betekende dat wit licht een mengsel is van licht met verschillende kleuren.
Dopplereffect Het dopplereffect, of de dopplerverschuiving, is de verandering in frequentie van een golf ten opzichte van een waarnemer die beweegt ten opzichte van de golfbron. Het verschijnsel is genoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Christian Doppler, die het in 1842 beschreef. Mechanische golven Mechanische golven ontstaan door een verstoring (zie structuuranalyse) van een deel van een elastisch medium. Die verstoring veroorzaakt een trilling rond een evenwichtspositie. Wegens de elastische eigenschappen van het medium zal de storing zich voortplanten van het ene punt naar het volgende. De snelheid van deze voortplanting wordt bepaald door de wisselwerking tussen de traagheid en de elasticiteit van het medium.