Sóng là gì: nhìn sóng chạy dọc dải lụa, sợi dây và chiếc lò xo

Sóng là một nhiễu động truyền đi trong một môi trường, mang theo năng lượng nhưng không mang theo vật chất. Khi vẩy một đầu dải lụa, mỗi điểm trên lụa chỉ nhấp nhô lên xuống quanh chỗ của nó, còn cái "dáng" nhấp nhô thì chạy dọc dải lụa tới tận đầu kia. Có hai loại cơ bản: sóng ngang, khi các điểm dao động vuông góc với hướng sóng đi (như trên sợi dây, dải lụa), và sóng dọc, khi các điểm dao động dọc theo hướng sóng đi (như các vòng lò xo dồn lại rồi giãn ra).

Cái gì đi, cái gì đứng

Buộc một đầu sợi dây thừng vào cột, cầm đầu kia và giật tay lên xuống một cái. Một cái bướu nhô lên chạy dọc sợi dây, tới cột rồi dội lại. Nhưng sợi dây không hề bị kéo về phía cột. Nếu dán một mẩu băng dính màu lên giữa dây, ta thấy mẩu băng dính chỉ nhảy lên rồi rơi về chỗ cũ khi cái bướu chạy qua.

Đó là ý cốt lõi của sóng: hình dạng đi, vật chất đứng. Sóng người trên khán đài sân vận động là ví dụ dễ hiểu nhất. Mỗi khán giả chỉ đứng lên rồi ngồi xuống tại ghế mình, nhưng làn sóng chạy vòng quanh sân. Cánh đồng lúa gặp gió cũng vậy: từng bông lúa chỉ nghiêng rồi bật lại, còn làn sóng xanh thì lướt từ đầu ruộng tới cuối ruộng.

Thứ thật sự được truyền đi là năng lượng. Tay người vẩy dải lụa đã đưa năng lượng vào đầu lụa; năng lượng ấy chuyển từ đoạn lụa này sang đoạn kế tiếp, đến tận đầu dải, làm đầu dải bung lên dù tay không chạm tới đó.

Sóng ngang và sóng dọc

Sóng trên mặt nước thực ra phức tạp hơn: mỗi giọt nước gần mặt đi theo một vòng tròn nhỏ, vừa lên xuống vừa tới lui. Đó là lý do chiếc phao nhấp nhô trên sóng cũng hơi dịch tới dịch lui, nhưng không bị cuốn đi xa.

Bốn đại lượng của một làn sóng

Khi vẩy dải lụa đều tay, ta tạo ra một chuỗi sóng lặp lại. Có bốn đại lượng mô tả nó:

• Biên độ: độ cao tối đa mà một điểm nhô lên so với vị trí nằm yên. Vẩy mạnh tay thì biên độ lớn.
• Bước sóng (λ, đọc là lam-đa): khoảng cách giữa hai đỉnh liền nhau, tính bằng mét.
• Tần số (f): số đỉnh sóng đi qua một điểm trong mỗi giây, cũng là số lần tay vẩy mỗi giây, tính bằng héc (Hz).
• Tốc độ sóng (v): quãng đường một đỉnh sóng đi được mỗi giây.

Ba đại lượng sau liên hệ bằng một công thức rất đơn giản: v = f × λ. Mỗi lần tay vẩy, một bước sóng được "đẩy" ra; vẩy f lần mỗi giây thì trong một giây có f bước sóng chạy đi.

Tính thử

Một bạn vẩy đầu sợi dây 2 lần mỗi giây và thấy khoảng cách giữa hai đỉnh sóng khoảng 1,5 m. Tốc độ sóng trên dây là v = 2 × 1,5 = 3 m/s. Nếu bạn ấy vẩy nhanh gấp đôi (4 lần mỗi giây) với cùng sợi dây căng như cũ, tốc độ sóng không đổi, nên bước sóng ngắn lại còn λ = 3 ÷ 4 = 0,75 m. Đây là điều quan trọng: tốc độ sóng do sợi dây quyết định, còn tay chỉ quyết định tần số.

Cái gì làm sóng chạy nhanh hay chậm

Trên một sợi dây, sóng chạy nhanh hơn khi dây căng hơn và chậm hơn khi dây nặng hơn. Công thức là v = √(T ÷ μ), trong đó T là lực căng dây (niutơn), μ là khối lượng của mỗi mét dây (kg/m).

Ví dụ: một sợi dây thừng nặng 0,2 kg mỗi mét, được kéo căng với lực 20 N (cỡ lực giữ một túi gạo 2 kg). Tốc độ sóng v = √(20 ÷ 0,2) = √100 = 10 m/s. Kéo căng gấp bốn lần (80 N), tốc độ tăng gấp đôi lên 20 m/s.

Điều này giải thích nhiều chuyện quen thuộc. Lên dây đàn ghi-ta căng hơn, sóng trên dây chạy nhanh hơn, nốt nhạc cao hơn. Dây đàn trầm được làm to và nặng hơn để sóng chạy chậm, nốt trầm hơn. Dải lụa múa thì rất nhẹ và hầu như không căng, nên sóng trên nó chạy chậm, đủ để mắt người theo kịp từng làn uốn: đó chính là cái đẹp của múa lụa.

Sóng gặp đầu dây: dội lại và lộn ngược

Khi một cái bướu chạy tới đầu dây đang buộc chặt vào cột, nó dội lại nhưng bị lộn ngược: bướu nhô lên đi tới, bướu lõm xuống đi về. Nếu đầu dây được để tự do (ví dụ buộc vào một chiếc vòng trượt dễ dàng trên cột), bướu dội lại vẫn nhô lên như cũ. Khi sóng đi từ một đoạn dây nhẹ sang đoạn nặng, một phần dội lại, một phần đi tiếp và chậm lại. Cũng những quy luật này áp dụng cho âm thanh dội vào vách núi, ánh sáng phản xạ trên mặt kính, sóng biển gặp kè đá.

Tự thử: ba thí nghiệm với đồ có sẵn

1. Dải lụa và mẩu băng dính

1. Lấy một dải lụa hoặc dải vải mỏng dài 2–3 m (có thể dùng dải giấy nhún). Buộc một đầu vào tay nắm cửa.
2. Dán một mẩu băng dính màu lên giữa dải.
3. Kéo dải hơi căng, giật tay lên một cái thật nhanh. Quan sát cái bướu chạy dọc dải và mẩu băng dính chỉ nảy tại chỗ.

2. Lò xo nhựa trên sàn

1. Dùng loại lò xo nhựa nhiều màu, dài và mềm, thường bán cho trẻ em. Hai người ngồi trên sàn, mỗi người cầm một đầu, kéo giãn ra khoảng 2–3 m trên sàn nhẵn.
2. Một người lắc nhanh đầu lò xo sang ngang một lần: thấy sóng ngang chạy tới đầu kia.
3. Rồi người đó đẩy nhanh đầu lò xo dọc tới trước một lần: thấy một chỗ các vòng dồn sát nhau chạy đi, đó là sóng dọc.
4. Người đầu kia thử giữ chặt rồi thử thả lỏng đầu của mình, so sánh sóng dội lại.

3. Đo tốc độ sóng bằng đồng hồ bấm giờ

Kéo căng sợi dây thừng dài khoảng 5 m giữa tay và một cột chắc. Giật một bướu, nhờ bạn bấm giờ từ lúc giật tới lúc bướu dội về tay. Lấy 10 m (đi và về) chia cho thời gian đo được, ra tốc độ sóng. Kéo căng hơn rồi đo lại: tốc độ tăng.

Làm thí nghiệm ở chỗ rộng, không có đồ dễ vỡ. Không quấn dây quanh cổ tay hay cổ. Trẻ nhỏ làm có người lớn đi cùng.

Góc nhìn hôm nay

Hiểu sóng là chìa khoá mở ra rất nhiều thứ: âm nhạc, sóng biển, động đất, sóng vô tuyến, ánh sáng. Một khi đã thấy "hình dạng đi, vật chất đứng" trên dải lụa, học sinh sẽ dễ hiểu tại sao động đất rung chuyển nhà cửa ở cách tâm chấn rất xa, hay tại sao điện thoại nhận được tín hiệu không cần dây. Nguồn tham khảo tốt cho học sinh: phần dao động và sóng trong sách vật lý phổ thông, các bài giảng và mô phỏng trực tuyến của Physics Classroom, giáo trình mở OpenStax phần sóng.