Su dalgaları

Bir sahilde denize bakan biri, açıkta farklı yönlerden gelen dalgaların kıyıya yaklaştıkça döndüğünü ve sonunda hemen hemen kıyıya paralel olarak kumsala vurduğunu görür. Dalgaları kimse yönlendirmemiştir; dönüşün nedeni denizin dibindedir. Su sığlaştıkça dalgalar yavaşlar ve yavaşlayan dalga yön değiştirir. Bir limanın dar ağzından içeri giren dalgaların ise ağzın gerisinde yelpaze gibi açılarak geniş bir alana yayıldığı gözlenir. Bu davranışlar ışığın davranışlarına çok benzer; bu yüzden fizikçiler yansımayı, kırılmayı ve dalgaların engellerin arkasına sızmasını önce su dalgaları üzerinde, gözle izlenebilecek biçimde inceler. Önceki iki derste dalganın temel büyüklüklerini ve yay dalgalarını öğrendik. Bu derste su yüzeyindeki dalgaları dalga leğeninde inceliyoruz: doğrusal ve dairesel dalgaları, hızın derinliğe bağlılığını, yansıma ve kırılma kurallarını ve dar bir aralıktan geçen dalgaların yayılmasını, yani kırınımı öğreniyoruz.

• Doğrusal ve dairesel su dalgalarını ve dalga tepelerini çizimde tanırsın.
• Su dalgalarının hızının derinliğe bağlı olduğunu, derinlik değişince dalga boyunun değiştiğini açıklarsın.
• Yansıma ve kırılmada gelme ve yansıma açılarını, kırılma yönünü belirlersin.
• Dar bir aralıktan geçen dalgalarda kırınımın aralık genişliğine bağlılığını yorumlarsın.

Dalga leğeni ve dalga tepeleri

Su dalgaları okul laboratuvarında dalga leğeninde incelenir. Leğenin üstündeki bir lamba, su yüzeyini mercek gibi kullanarak tepeleri perdede aydınlık şeritler hâlinde gösterir. Bu çizgilere dalga tepesi ya da dalga cephesi denir. Ardışık iki dalga tepesi arasındaki uzaklık dalga boyudur. Dalganın ilerleme yönü, dalga tepelerine her zaman diktir.

Suya düzgün bir cetvelin kenarı batırılıp çıkarılırsa birbirine paralel, düz çizgiler biçiminde doğrusal dalgalar oluşur. Suya bir noktadan, örneğin bir kalem ucuyla dokunulursa o noktayı merkez alan halkalar biçiminde dairesel dalgalar oluşur. Dairesel dalgalar kaynaktan her yöne ilerler.

Hız derinliğe bağlıdır

Su dalgalarının hızını belirleyen ortam özelliği suyun derinliğidir. Derin suda dalgalar daha hızlı, sığ suda daha yavaş ilerler. Dalga leğenine konan ince bir cam levha, üzerindeki bölgeyi sığlaştırır ve dalgaların bu bölgede yavaşladığı görülür.

Frekansı kaynak belirlediği için dalga derin sudan sığ suya geçerken frekans değişmez. v = λ · f ilişkisinden, yavaşlayan dalganın boyunun hızla aynı oranda kısaldığı çıkar; sığ bölgede dalga tepeleri birbirine yaklaşır. Örneğin derin suda 0,24 m/s hızla ve 6 Hz frekansla ilerleyen dalganın dalga boyu 4 cm'dir; dalga hızın 0,18 m/s olduğu sığ bir bölgeye girerse dalga boyu 3 cm'ye iner.

Yansıma

Dalgalar bir engele çarptığında geri döner. Yansımada temel kural şudur: gelme açısı yansıma açısına eşittir. Açılar, dalganın ilerleme yönü ile engelin yüzeyine dik çizilen normal arasında ölçülür. Doğrusal dalgalar düz bir engele dik gelirse geldiği doğrultuda geri döner; eğik gelirse normalin öbür yanında, aynı açıyla yansır.

Dairesel dalgalar düz bir engelden yansıdığında, yansıyan dalgalar engelin arkasında, kaynağa göre simetrik bir noktadan çıkıyormuş gibi görünür. Kaynak engelin 5 cm önündeyse, yansıyan halkaların merkezi engelin 5 cm arkasında görünür. Bu durum, düzlem aynadaki görüntü oluşumunun su dalgalarındaki karşılığıdır.

Kırılma

Doğrusal dalgalar derin ile sığ bölge arasındaki sınıra eğik olarak gelirse, dalga tepesinin sığ bölgeye önce giren ucu yavaşlar, derin bölgedeki ucu ise hızlı gitmeye devam eder. Bu yüzden dalga tepesi döner ve dalganın ilerleme yönü değişir. Buna kırılma denir.

• Dalga derinden sığa geçerken yavaşlar ve ilerleme yönü normale yaklaşır.
• Dalga sığdan derine geçerken hızlanır ve ilerleme yönü normalden uzaklaşır.
• Dalga sınıra dik gelirse yön değiştirmez; yalnız hızı ve dalga boyu değişir.

Kancadaki kumsal örneği budur: kıyıya doğru deniz giderek sığlaştığı için kıyıya eğik yaklaşan dalgalar sürekli yavaşlar, ilerleme yönleri kıyının normaline doğru döner ve dalga tepeleri kıyıya paralelleşir. Kırılma sırasında da frekans değişmez; dalga boyu sığ bölgede kısalır.

Dalga leğeninde kırılmayı çizerken iki şey birlikte gösterilir: sığ bölgede dalga tepeleri hem birbirine yaklaşır hem de sınıra göre döner. Dalganın ilerleme yönünü gösteren oklar her zaman tepelere dik çizilir; okların sınırdaki normal ile yaptığı açılar karşılaştırılarak kırılmanın yönü okunur. Işığın havadan suya ya da camdan havaya geçerken yön değiştirmesi de aynı ilkeye dayanır; optik derslerinde bu benzerlikten yararlanılacak ve kırılmanın ışıktaki sonuçları ayrıntılı olarak incelenecektir.

Kırınım

Dalgalar dar bir aralıktan geçtiğinde ya da bir engelin kenarından dolaştığında, aralığın gerisinde düz ilerlemekle kalmaz, yanlara doğru da yayılır. Bu olaya kırınım denir. Kırınım, aralık genişliği dalga boyuna yakın ya da ondan küçük olduğunda belirgindir. Aralık dalga boyuna göre çok genişse dalgalar aralıktan neredeyse düz geçer, yanlara az yayılır.

Kırınımı artırmak için aralık daraltılır ya da dalga boyu büyütülür; dalga boyunu büyütmek için de kaynağın frekansı azaltılır. Limanların dar ağızlarından giren dalgaların iç tarafta yelpaze gibi açılması ve bir duvarın arkasındaki birinin, karşı taraftaki sesleri duyabilmesi kırınımın sonuçlarıdır.

Dalgakıranlar ve limanlar

Limanlar, açık denizden gelen dalgalardan korunmak için dalgakıranlarla çevrilir. Dalgakıranlar gelen dalgaların büyük kısmını geri yansıtır. Ancak limanın giriş ağzı, kırınım nedeniyle dalgaların bir kısmının içeri sızıp yelpaze gibi yayılmasına izin verir. Bu yüzden liman ağızları gemilerin geçebileceği kadar dar tutulur ve iç bölümde dalgaların ulaştığı yerler hesaplanarak iskeleler yerleştirilir.

Derin denizden kıyıya

Açık denizde depremlerle oluşabilen büyük dalgalar derin suda çok hızlı ilerler ve yüzeyde fark edilmeyecek kadar alçak olabilir. Kıyıya yaklaşıp su sığlaştıkça yavaşlarlar; arkadan gelen su öndekine yetişir ve dalganın yüksekliği hızla artar. Sığlaşan kıyılarda dalgaların büyümesi ve devrilip kırılması, hızın derinliğe bağlı olmasının bir sonucudur. Kıyılarda bu tür dalgalara karşı uyarı sistemlerinin kurulması bu yüzden önemlidir.

Soru çözme sırası

Önce dalganın hangi bölgeden hangisine geçtiği ya da hangi engele çarptığı belirlenir. Derinlik değişiminde frekans sabit tutulur ve dalga boyu hızla orantılı değiştirilir. Yansımada açılar normalden ölçülür ve eşit alınır. Kırılmada yavaşlayan dalganın normale yaklaştığı, hızlanan dalganın uzaklaştığı hatırlanır. Kırınım sorularında aralık genişliği dalga boyuyla karşılaştırılır.

Örnek 1 — Derinlik

Soru: Dalgalar derin sudan sığ suya geçiyor. Hangisi doğrudur?

• A) Hız artar, dalga boyu artar.
• B) Frekans azalır.
• C) Yavaşlar, tepeler sıklaşır, frekans aynı kalır.
• D) Hiçbiri değişmez.
• E) Frekans artar.

Çözüm: Sığ suda hız azalır; frekans kaynağa bağlı olduğundan sabit kalır, dalga boyu kısalır. Cevap: C.

Örnek 2 — Dalga boyu

Soru: Dalga leğeninde frekansı 10 Hz olan dalgaların ardışık tepeleri arasındaki uzaklık 1,5 cm'dir. Dalgaların hızı kaç cm/s'dir?

• A) 6,7
• B) 15
• C) 1,5
• D) 150
• E) 11,5

Çözüm: v = λ · f = 1,5 · 10 = 15 cm/s. Cevap: B.

Örnek 3 — Yansıma

Soru: Doğrusal dalgalar düz bir engelin normaliyle 40°'lik açı yapacak biçimde geliyor. Yansıma açısı kaç derecedir?

• A) 50
• B) 85
• C) 20
• D) 40
• E) 90

Çözüm: Gelme açısı yansıma açısına eşittir: 40°. Cevap: D.

Örnek 4 — Kırınım

Soru: Dar bir aralıktan geçen su dalgalarının yanlara daha çok yayılması için ne yapılmalıdır?

• A) Aralığı daraltmak
• B) Aralığı genişletmek
• C) Frekansı artırmak
• D) Suyu derinleştirmeden dalga boyunu kısaltmak
• E) Engeli kaldırmak

Çözüm: Kırınım, aralık dalga boyuna göre dardıkça belirginleşir. Cevap: A.

• Derinlik değişince frekansın değiştiğini sanmak. Frekans kaynağa bağlıdır; değişen dalga boyudur.
• Açıları engel yüzeyinden ölçmek. Gelme ve yansıma açıları normalden ölçülür.
• Sığa geçen dalganın normalden uzaklaştığını sanmak. Yavaşlayan dalga normale yaklaşır.
• İlerleme yönünü dalga tepesine paralel çizmek. Yön dalga tepelerine diktir.
• Geniş aralıkta güçlü kırınım beklemek. Kırınım aralık dalga boyuna yakın ya da dar olduğunda belirgindir.