Sóng dừng – Khái niệm, tính chất, ứng dụng

Chu Văn An

Sóng dừng hay còn gọi là sóng đứng là loại sóng dao động theo thời gian nhưng có biên độ cực đại không chuyển động trong không gian. Sóng dừng được hình thành do sự giao thoa của hai sóng ngược chiều nhau, hai loại sóng này là sóng phản xạ và sóng tới, xét cùng chiều truyền sóng. Hãy cùng Trường Chu Văn An tìm hiểu thêm thông tin về sóng đứng và sóng tĩnh qua bài viết sau đây.

1. Sóng đứng là gì?

Trong vật lý, sóng dừng hay còn gọi là sóng đứng là loại sóng dao động theo thời gian nhưng có biên độ cực đại không chuyển động trong không gian. Biên độ cực đại của dao động sóng đứng tại một điểm bất kỳ trong không gian không đổi theo thời gian.

Hình 1: Sóng đứng hay còn gọi là sóng đứng hoặc sóng tĩnh

Sóng dừng được hình thành do sự giao thoa của hai sóng ngược chiều nhau. Hai loại sóng là sóng tới và sóng phản xạ, được coi là cùng hướng truyền. Kết quả của quá trình giao thoa này nếu truyền cùng chiều sẽ tạo thành hệ thống sóng đứng. Trong sóng dừng luôn có một điểm đứng yên gọi là nút và một số điểm luôn dao động với biên độ cực đại gọi là bụng.

2. Tính chất của sóng dừng

Tính chất của sóng dừng được mô tả dựa trên sự biến thiên của dao động trong không gian.

Hình 2: Tính chất của sóng dừng dựa trên sự biến thiên của dao động trong không gian

• Nút sóng là điểm trên dây hoặc trong không gian có biên độ sóng nhỏ nhất. Ngược lại, đáy sóng là điểm có biên độ cực đại. Điểm dao động có biên độ nhỏ nhất gọi là nút sóng.
• Khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp hoặc hai máng sóng liên tiếp trên dây được ký hiệu là λ/2 (nửa bước sóng).
• Khoảng cách giữa hai nút sóng bất kỳ hoặc hai đáy sóng bất kỳ trên dây là kλ/2. Trong đó k là số nguyên không âm.
• Khoảng cách giữa máng sóng và nút sóng liên tiếp trên dây là λ/4 (một phần tư bước sóng).
• Khoảng cách giữa máng sóng và nút sóng bất kỳ trên dây là kλ/2+λ/4. Trong đó k là số nguyên không âm.

Tốc độ truyền sóng: v=λf=λ/T

Tần số dao động: l=kλ/2<=>f=(kv)/(2l); fmin=v/(2l) (Tần số nhỏ nhất để sóng dừng xuất hiện trên sợi dây có hai đầu cố định)

3. Điều kiện để xảy ra sóng đứng trên dây

Để sóng dừng xảy ra trên một sợi dây, điều kiện quan trọng là phải có sự phản xạ của sóng từ những điểm cố định trên dây. Dưới đây là các điều kiện cho trường hợp hai đầu là nút sóng (cả hai đầu đều cố định) và trường hợp một đầu là nút sóng, đầu kia là máng sóng (một đầu cố định, một đầu tự do):

Hình 3: Điều kiện để sóng đứng xảy ra trên dây

3.1. Hai đầu là nút sóng (cả hai đầu đều cố định)

Trong trường hợp này, cả hai đầu của sợi dây đều được gấp nếp, nghĩa là chúng đều cố định và không rung động. Điều này tương đương với: l=kλ/2. Với k là số tự nhiên lớn hơn 0.

Điều này đảm bảo cho sợi dây sẽ dao động theo các dạng sóng sao cho khoảng cách giữa hai nút liên tiếp hoặc hai nút liên tiếp là >: λ/2.

3.2. Một đầu là nút sóng, đầu còn lại là bụng sóng

Trong trường hợp này, một đầu của dây là nút sóng (điểm không dao động) và đầu kia là máng sóng (điểm có biên độ cực đại). Điều này tương đương với: l=(2k+1)λ/4 (k là số tự nhiên lớn hơn 0).

Điều này đảm bảo rằng sợi dây sẽ dao động ở các chế độ sóng sao cho khoảng cách giữa một nút và bụng hoặc bụng và một nút liên tiếp là: λ/2.

Cả hai trường hợp trên đều tạo điều kiện cho sóng phản xạ trên dây dẫn đến sóng dừng và giao thoa. Điều này xuất hiện thường xuyên trong nhiều ngữ cảnh, chẳng hạn như khi bạn gọi sóng dây trên đàn guitar.

4. Ứng dụng sóng dừng

Sóng dừng có nhiều ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của sóng đứng:

4.1. Ghi âm và âm nhạc

Trong lĩnh vực âm nhạc, sóng dừng được sử dụng để tạo ra nhiều hiệu ứng âm thanh khác nhau. Phòng thu được thiết kế để kiểm soát sóng đứng và nhiễu để tạo ra âm thanh chất lượng cao.

4.2. Hình ảnh y tế

Trong y học, sóng siêu âm được sử dụng để tạo ra hình ảnh của cơ thể, các cơ quan và mô mềm. Siêu âm dựa trên nguyên lý sóng đứng để tạo ra hình ảnh chất lượng cao.

Hình 4: Sóng dừng có nhiều ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực khác nhau

4.3. Radar và Sonar

Trong các ứng dụng radar và sonar, sóng dừng được sử dụng để xác định vị trí và khoảng cách của vật thể. Sự phản xạ của sóng giúp đo khoảng cách và hình dạng của vật thể.

4.4. Âm thanh công nghiệp

Trong công nghiệp, sóng đứng được dùng để kiểm soát và giảm tiếng ồn. Thiết kế phù hợp khu vực làm việc có thể giảm sóng đứng và cải thiện môi trường làm việc.

4.5. Chẩn đoán thực thể

Trong nghiên cứu vật lý, sóng dừng được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu. Sự phản xạ sóng từ mẫu vật liệu giúp nghiên cứu chất lượng và cấu trúc của nó.

4.6. Hình ảnh dưới nước

Công nghệ sóng đứng được sử dụng để tạo ra hình ảnh dưới nước. Sonar sử dụng sóng dừng để quét đáy biển và phát hiện các vật thể dưới nước.

Vietchem vừa chia sẻ những thông tin về khái niệm, tính chất, điều kiện hình thành sóng dừng cũng như ứng dụng với các bạn qua bài viết. Hy vọng bài viết này đã mang lại những thông tin hữu ích cho bạn.