bølger

Trods fænomenernes helt forskellige karakter er der fælles træk, som berettiger, at de alle kaldes bølger. For en regelmæssig (periodisk) bølge er:

• bølgelængden λ afstanden fra bølgetop til bølgetop;
• svingningstiden T er den tid, det varer, før bølgen gentager sig på et bestemt sted;
• frekvensen er antal svingninger pr. tidsenhed, altså lig med 1/T; og
• fasehastigheden v er hastigheden af en bølgetop.

Der gælder den vigtige ligning λ = v∙T.

Fasehastigheden afhænger af bølgetypen og af omgivelserne. Elektromagnetiske bølger i vakuum har altid lysets hastighed c. Lydbølger i luft har en hastighed på ca. 340 m/s, afhængigt af temperaturen. For nogle bølger, fx vandbølger, afhænger fasehastigheden af frekvensen. Hastigheden af et signal (gruppehastigheden) er da forskellig fra fasehastigheden. Man siger, at bølgen viser dispersion.

En bølges amplitude er dens største udsving fra ligevægt. Energistrømmen i en bølge er proportional med kvadratet på amplituden. Ændringer (modulationer) af en bølges amplitude eller frekvens danner grundlaget for megen kommunikation.

Uafhængige bølger, som mødes (superponeres) i rummet, giver interferens, så de enten forstærker eller svækker hinanden. Ved en grænseflade mellem to medier kan en bølge brydes eller reflekteres; interferens mellem den oprindelige og den reflekterede bølge kan da skabe en stående bølge, som svinger uden at udbrede sig.

Matematisk beskrives alle bølger ret ens. I én dimension således ved en bølgefunktion f(x,t), som er en funktion af sted og tid og løsning til en bestemt differentialligning, bølgeligningen. Særlig betydning har harmoniske bølger, som beskrives ved rene sinus-funktioner. Efter et teorem af J. Fourier (jf. Fourieranalyse) kan alle bølger opbygges af harmoniske bølger.

Bølger på havets overflade er det mest synlige udtryk for dynamikken i oceanerne og har altid fascineret mennesket; fx har Aristoteles beskrevet sammenhængen mellem vind og bølger. Bølger dannes på grænsefladen mellem to stoffer med forskellig massefylde, ved at de strømmer forbi hinanden med forskellig hastighed, som fx når vinden blæser hen over havoverfladen; men også på grænsefladen mellem brakvand og saltvand kan der opstå bølger; disse kaldes interne bølger. Vinden er den primære kraft ved dannelse af oceane bølger, men også jordskælv eller de periodiske påvirkninger fra solen og månen er bølgegenererende kræfter. Oceane overfladebølger deles op i følgende kategorier:

• Kapillarbølger; de første krusninger på havoverfladen, når det blæser op. Bølgelængden er mellem 1 og 10 cm.
• Korte bølger eller dybvandsbølger; bølger, hvis bølgelængde er mindre end to gange vanddybden. Disse bølgers fasehastighed er afhængig af bølgelængden, hvilket betyder, at bølger med størst bølgelængde bevæger sig hurtigst, dvs. bølgerne er spredende, dispersive. Bølgerne med næsten samme bølgelængde slår sig sammen i grupper, der bevæger sig med en hastighed, kaldet gruppehastigheden, som er lig en halv gang fasehastigheden.
• Lange bølger eller lavvandsbølger; bølger, hvis bølgelængde er større end 20 gange vanddybden. Fasehastigheden varierer med vanddybden, men ikke med bølgelængden, dvs. bølgerne er ikke-spredende, non-dispersive.
• Tsunami; lange bølger genereret ved undersøiske jordskælv. De bevæger sig over lange afstande og kan anrette store ødelæggelser, når de rammer land.
• Seiches; stående bølger i et indelukket havområde.
• Tidevandsbølger; bølger dannet ved tiltrækning fra Solen eller Månen.

Når bølger nærmer sig land (aftagende vanddybde), afbøjes de pga. hastighedsforskelle forårsaget af forskellig vanddybde, således at bølgetoppene ordner sig parallelt med kysten. Endvidere aftager bølgelængden, og bølgehøjden øges. Når forholdet mellem bølgehøjde og bølgelængde bliver ca. ¹/₇, bryder bølgen. Den største pålideligt observerede bølgehøjde er 34 m.

• bølgeenergi
• kapillarbølger
• tidevand
• tsunami
• vandbølger