Laine

Veepinnal tekib püsiv lainetus siis, kui mingi võnkuv keha puudutab veepinda. Keha paneb veepinna võnkuma ja võnkumine levib selle kaudu lainena edasi. Lainega levib võnkuva keha energia ruumis.

Peamised füüsikalised suurused, mille abil ise­loomus­ta­takse lainet, on laine amplituud, lainepikkus ja laine levimise kiirus.

Vaatame neid suurusi vee pinnal levivate lainete korral. Laine kõrgeimat punkti nimetatakse laineharjaks, laine madalaimat punkti lainepõhjaks. Laine amplituud näitab suurimat kõrvalekallet vee tasapinnast normaalolekus. Laineharja ja lainepõhja kõrguste vahe on võrdne kahekordse laine amplituudiga.

Mida suurem on laine amplituud, seda rohkem energiat lainega kandub.

Liikumisest räägitakse siis, kui mingi keha või kehaosa asukoht teiste kehade suhtes muutub. Lainega aine edasi ei kandu, kandub üksnes energia. Poisid panevad tiigis veepinna üles-alla võnkuma, vee võnkumine kandub parveni ja võnkuv vesi paneb ka parve võnkuma. Poiste energia kandub lainega parveni ja parv hakkab üles-alla liikuma.

Joonisel on vaadeldava laineharja osa värvitud roheliseks. Ülemine joonis vastab vaatluse alghetkele. Alumistel joonistel on kujutatud olukord, kus laine on levinud edasi täpselt ühe lainepikkuse võrra.

Laine levib 2 sekundiga lainepikkuse võrra edasi.

Olgu joonisel kujutatud laine lainepikkus 40 cm.

$\text{Kiirus = }\frac{\text{teepikkus}}{\text{aeg}}$ ehk $v=\frac{s}{t}.$

Laine levimise kiirus on $20\frac{\text{cm}}{\text{s}}$.

Lainet saab tekitada pikas nööris. Nööri üks ots kinnitatakse liikumatult, teist otsa võngutatakse. Ühe alla-üles täisvõnkega levib laine ühe lainepikkuse võrra. Joonisel kujutatud nööris levib laine vasakult paremale. Nööri osade võnkumine ja laine levimise suund on teineteisega risti. See on ristlaine.

Ristlainet saab samal viisil tekitada pikas vedrus.

Vedrus saab tekitada ka teistsugust lainet, võngutades vedru paremale-vasakule. Paremale liikudes surub käsi vedru keerud kokku, tekib vedru keerdude tihendus. Käe energia mõjul liigub tihendus paremale. Seejärel liigub käsi tagasi ja käe ees tõmmatakse vedru keerud hõredaks, tekib vedru keerdude hõrendus. Liikumine kordub. Uuesti paremale liikudes tekitab käsi uue keerdude tihenduse. Eelmine tihendus on edasi levinud lainepikkuse võrra. Iga üksik keerd võngub paremale-vasemale. Kõikide keerdude võnkumine kokku annab joonisel kujutatud pildi. Vedrus levib laine, keerud võnguvad laine levimise sihis. See on pikilaine.

Rist- ja pikilained on lihtsaimad lainete liigid. Looduses on ka keerukamaid laineid. Eespool vaadatud lained vee pinnal ei ole tegelikult ristlained, nagu nad meile esimesel pilgul paistavad. Põhjus on selles, et vesi ei ole kokkusurutav ja seetõttu ei saa vee molekulid laines üles alla võnkuda, vaid liiguvad praktiliselt ringjooneliselt. Seda liikumist võib vaadata kui „segu” üles-alla ja edasi-tagasi liikumisest. Laine veepinnal on seetõttu „segu” rist- ja pikilainetest.

Võnkumine ja laine on teineteisega lahutamatult seotud. Et tekiks laine, peab olema võnkuv keha. Laine on võnkumise tagajärjeks, aga võib olla ka vastupidi: laine tagajärjeks on võnkumine. Näiteks poisid panid tiigis veepinna lainetama ja selle tulemusena hakkas parv tiigi teises servas võnkuma.

Rist- ja pikilainete juures nägime, et lainetava keskkonna osakesed võnguvad. Kuidas on seotud lainet iseloomustavad suurused – lainepikkus ja laine levimise kiirus – võnkumisi iseloomustavate suurustega – võnkeperiood ja võnkesagedus? Laine levib keskkonnas kindla kiirusega v, mis üldiselt sõltub selle keskkonna omadustest, milles laine liigub. Laine kiirus võrdub laine mingi punkti, näiteks laineharja levimise kiirusega. Vaatame näitena ristlainet. Ühe üles-alla võnkega liigub laine edasi ühe lainepikkuse λ võrra. Kuna üles-alla täisvõnke kestus on võrdne ühe võnkeperioodiga T, siis on laine kiirus võrdne lainepikkuse ja võnkeperioodi jagatisega: $v=\frac{\lambda }{T}.$ Kui me aga iseloomustame võnkumisi võnkesagedusega $f=\frac{1}{T},$ saame laine kiiruse avaldada kujul v = λ f. Siit on näha, et teades laine levimise kiirust, võime laine iseloomustamiseks kasutada tema lainepikkust või siis lainet tekitavate võnkumiste sagedust.

Olgu nööris leviva laine lainepikkuseks 30 cm ja nööri otsa võnkumiste sageduseks 2 Hz, siis on laine levimiskiiruseks v = λ f = 0,3 m ∙ 2 Hz = 0,6 $\frac{\text{m}}{\text{s}}$ ehk 60 $\frac{\text{cm}}{\text{s}}.$

1. Vasta õppetüki alguses olevatele küsimustele.
2. Vala suuremasse kaussi vett. Tekita lained, vaatle nende lainepikkust, laine levimise kiirust ja amplituudi. Muuda võnkuva keha sagedust ja vaatle, mis muutub.