Aalto (fysiikka)

Väliaine, joka kuljettaa aaltoa luokitellaan yhden tai useamman seuraavan ominaisuuden perusteella:

• Lineaarinen väliaine, jos tietyssä pisteessä erillisten aaltojen amplitudit voidaan laskea yhteen ja tuloksena on todellisen aallon amplitudi.
• Rajoittamaton väliaine, jos alue on ääretön, muuten rajoitettu.
• Uniforminen väliaine, jos fysikaaliset ominaisuudet ovat muuttumattomat avaruuden eri paikoissa.
• Isotrooppinen väliaine, jos fysikaaliset ominaisuudet ovat samat eri suunnissa.

• Vedessä etenevät aallot (katso myös surffaus ja tsunami). Tämä on yksi esimerkki pinta-aallosta.

• Näkyvä valo, radioaallot, röntgensäteily, jne. muodostavat sähkömagneettisen säteilyn. Tässä tapauksessa eteneminen on mahdollista ilman ainetta, tyhjiössä. Nämä sähkömagneettiset aallot etenevät noin 300 000 km/s (tyhjiössä). Väliaineessa nopeus on ${\displaystyle v={\frac {c}{n}}}$ , jossa c on valonnopeus tyhjiössä ja n väliaineen taitekerroin.

• Ääni - mekaaninen aalto, joka etenee ilmassa, nesteessä ja kiinteissä aineissa, on tietyn taajuista ja havaitaan esimerkiksi korvalla tai yleisemmin anturilla. Samanlaisia ovat maanjäristyksien yhteydessä syntyvät seismiset eli maanjäristysaallot. Ääniaallon nopeus kiinteässä aineessa on yksinkertaisessa tapauksessa

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {c}{d}}}}$ ,

jossa c on kimmomoduli ja d tiheys.

• Gravitaatioaallot, ovat itse avaruuden aaltoilua gravitaatiokentässä. Ne ennustettiin yleisessä suhteellisuusteoriassa ja havaittiin suorilla mittauksilla vuonna 2016. Ne ovat epälineaarisia^selvennä.

Kaikille aalloille yhteisiä piirteitä tietyissä tilanteissa ovat muun muassa seuraavat.

• Heijastuminen – aallon suunnanmuutos sen osuessa heijastavaan pintaan.
• Taittuminen – aallon suunnanmuutos väliaineiden rajapinnassa.
• Diffraktio – aallon levittäytyminen, esimerkiksi kun se kulkee ohuesta raosta.
• Interferenssi – kahden yhdistyvän aallon summaus.
• Sironta – aallon hajoaminen törmäyksessä.
• Suoraviivainen eteneminen – aaltojen eteneminen suoraa viivaa pitkin.

Poikittaisessa aaltoliikkeessä värähtely tapahtuu kohtisuoraan aallon etenemissuuntaa vastaan.^[3] Esimerkkejä ovat sähkömagneettiset aallot, kuten valo ja erilaiset radioaallot.

Pitkittäisessä aaltoliikkeessä värähtely tapahtuu aallon etenemissuunnassa.^[3] Esimerkkejä ovat ääniaallot kaasussa ja nesteessä, esimerkiksi värähtelevän kitaran kielen ilmaan aiheuttamat ääniaallot. Myös kiinteässä aineessa esiintyy pitkittäisiä ääniaaltoja, mutta yleensä kiinteän aineen ääniaallot ovat pitkittäisen ja poikittaisen aallon yhdistelmiä.

Aallot veden pinnalla ovat myös yhdistelmä pitkittäis- ja poikittaisaallosta.^[3] Siksi veden pinnan aaltoliikkeessä yksittäiset vesimolekyylit liikkuvat elliptisiä ratoja.

Poikittainen aaltoliike voi olla polarisoitunutta. Polarisoitumattomat aallot voivat värähdellä mihin suuntaan tahansa tasossa, joka on kohtisuoraan etenemissuuntaa vastaan, kun taas polarisoitu aalto värähtelee vain yhteen suuntaan kohtisuoraan etenemissuuntaa vastaan.

Aaltojen ominaisuuksia voidaan kuvata käyttämällä muutamia yleisiä suureita, joita ovat esimerkiksi taajuus, aaltovektori, aallonpituus, amplitudi ja jaksonaika. Aallon matemaattiseen kuvaukseen käytetään osittaisdifferentiaaliyhtälöitä, aaltoyhtälöitä.

Aallon amplitudi on aallonkorkeuden maksimiarvo väliaineessa yhden jakson aikana. Se mitataan aallon tyypistä riippuvissa yksiköissä. Esimerkiksi värähtelevässä kielessä amplitudi mitataan matkana (metreissä), ääniaalloilla paineena (pascaleina) ja sähkömagneettisilla aalloilla sähkökentän amplitudina (volttia/metri). Amplitudi voi olla vakio (jolloin aalto on jatkuva aalto) tai saattaa vaihdella ajasta tai paikasta riippuen. Amplitudin muutoksen muotoa kutsutaan usein aallon verhokäyräksi (envelope).

Periodi eli jaksonaika (T) on aika, joka kuluu yhdessä aallon värähdyksessä. Taajuus (f) puolestaan kertoo kuinka monta värähdystä tapahtuu aikayksikössä ja sen yksikkö on hertsi. Näitä yhdistää:

${\displaystyle f={\frac {1}{T}}}$ .

Kun aaltoja esitetään matemaattisesti, käytetään usein kulmataajuutta (ω, radiaania/sekunti). Se liittyy taajuuteen f kaavalla:

${\displaystyle {\omega }={2\pi }f\,}$ .

Aaltoja, jotka pysyvät paikallaan kutsutaan seisoviksi aalloiksi - näitä ovat esimerkiksi värähtelyt viulun kielessä. Vastaavasti aaltoja, jotka etenevät kutsutaan liikkuviksi aalloiksi. Niiden poikkeama tasapainoasemasta muuttuu sekä ajan t että paikan z suhteen. Tämä voidaan esittää matemaattisesti:

${\displaystyle y=A(z,t)\cos(\omega t-kz+\phi ),\,}$ 

missä A(z, t) on aallon amplitudi, k aaltoluku ja φ vaihe. Aallon nopeus v saadaan aaltoliikkeen perusyhtälöksi kutsutusta yhtälöstä:

${\displaystyle v={\frac {\omega }{k}}=\lambda f,}$ 

missä ${\displaystyle {\displaystyle \scriptstyle \lambda }}$  on aallonpituus.

• Forsell, Petri: Universumissa kaikki aaltoilee. Tiede 11/2012.