Fale w przyrodzie
Wykład 4
Rodzaje fal w przyrodzie
• Fale mechaniczne w skorupie ziemskiej, związane z jej ruchami tektonicznymi - fale sejsmiczne. Pozwalają
przewidywać trzęsienia ziemi oraz wybuchy wulkanów.
• Fale morskie i oceaniczne, powodowane przez wiatr i
zmiany ciśnienia mające miejsce nad zbiornikami wodnymi oraz przez ruchy pływowe
• Promieniowanie Słońca, obejmujące głównie światło
• Promieniowanie Słońca, obejmujące głównie światło widzialne, ultrafiolet, podczerwień i fale radiowe
• Promieniowanie kosmiczne, promieniowanie
elektromagnetyczne radioźródeł, gwiazd, pulsarów i inne źródła kosmiczne.
• Fale dźwiękowe powstałe na skutek falowania wód, wodospadów, uderzeń piorunów, trąb powietrznych;
odgłosy zwierząt i ludzka mowa.
Ultradźwięki
• Fale o częstotliwościach wyższych od 20kHz a mniejszych od 10GHz
• Zastosowanie ultradźwięków
• Telekomunikacja podwodna
• Do określenia odległości obiektów pływających od powierzchni,
głębokości i struktury dna morskiego, miejsca występowania ławic ryb głębokości i struktury dna morskiego, miejsca występowania ławic ryb czy wraków statków
• Do badan mikrostruktury ciał stałych (dla określenia czy zachodzą w nich zmiany pod wpływem np. obciążeń mechanicznych, obróbki i działania temperatury)
• Wykrywanie wad opiera się na odbiciu fali na pęknięciach,
rozdwojeniach, jamach osadowych, rysach i pęcherzykach powietrza, znajdujących się wewnątrz danego materiału
• Odbicie fali ultradźwiękowej następuje na skutek zmiany
współczynnika pochłaniania i akustycznych oporności falowych, które są powodem ugięcia, odbicia i załamania fali. Do badań
mikrostruktury materiałów wykorzystuje się urządzenia zwane defektoskopami ultradźwiękowymi
• Piszczałki i gwizdki ultradźwiękowe
• Ultrasonograf w medycynie (odbijanie ultradźwięków od tkanki, kości czy mięśni zdrowych i chorych)
• Znalazły zastosowanie w terapii ultradźwiękowej, które obejmuje działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne, znieczulające i działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne, znieczulające i rozkurczowe. Działanie fali ultradźwiękowej na tkanki ludzkie
powoduje zmianę napięcia mechanicznego tkanek na skutek ruchu drgającego (tzw. mikromasaże) oraz jej ogrzanie wywołane
pochłanianiem energii fali.
• Za pomocą ultradźwięków można leczyć: mięśniobóle, stłuczenia i skręcenia, zapalenie stawów, odmrożenia i wiele innych schorzeń. Za każdym razem bardzo ważne jest określenie dawki fizycznej
(pochłoniętej) dla danego schorzenia. W związku z trudnościami z tym związanymi terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków jest ograniczone.
• W metalurgii - Wpływ ultradźwięków na właściwości krzepnącego szkła i metali ma na celu odgazowanie tworzącego się stopu,
rozdrabnianie ziaren oraz tworzenie stopów związków, które nie mieszają się w normalnych warunkach. Ultradźwięki stosowane w procesie magnesowania materiałów ferromagnetycznych powodują jego utrwalanie i zmniejszanie pozostałości magnetycznej.
Przyspieszają również proces azotowania powierzchni podczas
hartowania stali. Za pomocą ultradźwięków można usuwać różnego rodzaju zanieczyszczenia z małych elementów stosowanych w
przemyśle optycznym i precyzyjnym.
przemyśle optycznym i precyzyjnym.
• Metoda erozji ultradźwiękowej opiera się na oddziaływaniu drgań ultradźwiękowych z ośrodkiem erozyjnym, który działając na
obrabiany materiał powoduje odrywanie się od niego maleńkich cząsteczek. Dzięki temu erozja ultradźwiękowa umożliwia żłobienie zagłębień i wykonywanie otworów oraz wycinanie dowolnych
kształtów i profilów w takich materiałach jak szkło, węglik wolframu i węglik tytanu
• W przemyśle spożywczym – ich zastosowanie sprowadza się do
uszlachetnienia artykułów spożywczych oraz upraszczania i skracania procesów produkcyjnych. Należą do nich m.in. ekstrakcja chmielu (do produkcji piwa) i kawy, sztuczne starzenie win i likierów. Ultradźwięki umożliwiają skrócenie czasu obróbki masy czekoladowej i kakaowej przy zachowaniu aromatu, dzięki przyspieszeniu procesów utleniania i depolimeryzacji. Oddziaływanie ultradźwięków na mleko umożliwia jego sterylizację na zimno przy równoczesnej homogenizacji.
• W przemyśle tekstylnym i papierniczym, wykorzystując fakt, że za pomocą ultradźwięków można rozpylać ciecze, stosuje się
przetworniki ultradźwiękowe do suszenia taśmy papierowej i farby drukarskiej. Fale ultradźwiękowe wykorzystujemy również przy
produkcji farb i lakierów, farbowaniu włókien tekstylnych oraz praniu silnie zabrudzonych wysokogatunkowych tkanin
• W przemyśle chemicznych – do przyśpieszenia reakcji chemicznych.
Na skutek podwyższenia energii ruchu cząsteczek, pod wpływem fal ultradźwiękowych występuje zmiana międzycząsteczkowych sił
wiążących oraz podwyższona wymiana elektronów dla wielu reakcji chemicznych. W związku z tym zaobserwowano przyspieszenie reakcji utleniania, redukcji i kondensacji oraz polimeryzacji i depolimeryzacji.
• W biologii i farmacji
Bakterie i wirusy poddane działaniu ultradźwięków o małym
natężeniu są pobudzane do rozmnażania. Przy dużych natężeniach fali natężeniu są pobudzane do rozmnażania. Przy dużych natężeniach fali ultradźwiękowej następuje niszczenie organizmów. W ten sposób,
dobierając doświadczalnie natężenie fali ultradźwiękowej udało się zniszczyć pałeczki duru brzusznego, stofilokoki, streptokoki itp. oraz wirusy wścieklizny. Przyczyną zniszczenia jest nie tylko fizyczne
działanie ultradźwięków (kawitacja), lecz również działanie chemiczne, tj. depolimeryzacja łańcuchów białkowych.
• Przy nadźwiękowieniu nasion i roślin kiełkujących, ultradźwiękami o małym i średnim natężeniu, w większości przypadków
zaobserwowano przyśpieszenie kiełkowania i wzrostu. Oprócz tych zastosowań istnieje również możliwość zabijania szkodliwych dla nasion grzybków pleśni i drożdży. W przemyśle farmaceutycznym bakteriobójcze działanie ultradźwięków znalazło zastosowanie do sterylizacji środków farmaceutycznych. Dyspergujące działanie ultradźwięków umożliwia tworzenie trwałych emulsji i kruszenia kryształów różnych związków (np. penicyliny).
• W energetyce ultradźwięki stosujemy do nadźwiękowienia wody w
• W energetyce ultradźwięki stosujemy do nadźwiękowienia wody w kotle energetycznym, co zapobiega tworzeniu się kamienia
kotłowego. Istniejące warstwy kamienia zostają rozluźnione i rozbite, a strącone wapno może być usunięte przez płukanie. Szeroko
prowadzone badania wykazały, że okresowo stosowane impulsy fal ultradźwiękowych o dobranych odpowiednio częstościach skutecznie chronią kocioł przed powstawaniem kamienia kotłowego.
