Su Dalgalarında Kırılma

Kırılma Tanımı

Derinlikleri farklı olan bir ortamdan diğerine geçen su dalgalarının yön değiştirmesine dalgaların kırılması denir. Su dalgalarının kırılması olayında iki ortamı ayıran yüzeye ayırıcı yüzey denir. Gelen dalga, kırılan dalga ve yüzeyin normali aynı düzlemdedir.

Farklı derinlikteki bir ortama geçen dalgaların yayılma sürati değişikliğe uğrar. Sürat değişimi, dalgalar ayırıcı yüzeye 90° açıyla gelmiyorsa dalgaların yön değiştirmesine (kırılmasına) neden olur. Kırılma olayında dalga boyu ve dalganın yönü değişir, ancak frekansı değişmez (frekans, kaynağa bağlıdır ve ortam değişse de sabit kalır).

Derinliğin Sürat ve Dalga Boyuna Etkisi

• Derin ortamdan sığ ortama geçiş: Su dalgaları yavaşlar; dalga boyu kısalır (λ_sığ < λ_derin); dalgalar yüzey normaline yaklaşarak kırılır.
• Sığ ortamdan derin ortama geçiş: Su dalgalarının sürati artar; dalga boyu uzar; dalgalar yüzey normalinden uzaklaşarak kırılır.

Ayırıcı yüzeye paralel gelen doğrusal su dalgaları derin ortamdan sığ ortama geçtiğinde, dalga boyu ve sürati değişir fakat yayılma doğrultusu değişmez (kırılma yalnızca açılı gelişte gerçekleşir).

Kırılma Yasaları

Gelen dalganın ilerleme doğrultusunun yüzey normali ile yaptığı açıya gelme açısı (i), kırılan dalganın ilerleme doğrultusunun yüzey normali ile yaptığı açıya kırılma açısı (r) denir.

• Sığ ortamdan derin ortama geçerken: dalganın ilerleme doğrultusu normalden uzaklaşarak kırılır; kırılan dalganın yüzey normaliyle yaptığı açı, yayılma sürati ve dalga boyu artar.
• Derin ortamdan sığ ortama geçerken: dalganın ilerleme doğrultusu normale yaklaşarak kırılır; kırılan dalganın yüzey normaliyle yaptığı açı, yayılma sürati ve dalga boyu azalır.

Örnek: Sığ Ortamdan Derin Ortama Geçen Dalganın Kırılması

Bir dalga leğeninde sığ ortamda oluşturulan KLM doğrusal su dalgası, cam bir parçayla ayrılmış derin ortama geçmektedir. Sığ ortamdan derin ortama geçen su dalgalarının yayılma sürati ve dalga boyu artar; dalgalar bu geçişte yüzey normalinden uzaklaşarak kırılır, dolayısıyla kırılma açısı gelme açısından büyük olur (θ₁ < θ₂, θ₁: gelme açısı, θ₂: kırılma açısı).

Dalganın K ucu, ayırıcı yüzeye L ve M noktalarından daha yakın olduğu için derin ortama ilk girer ve diğer noktalara göre daha erken süratlenir; bu nedenle derin ortamda K ucu, L ve M'ye göre ayırıcı yüzeyden daha uzakta konumlanır. Sırasıyla L ve M noktaları da derin ortama girip süratlendikçe dalganın yeni doğrultusu (kırılmış hâli) oluşur. Bu örnek, bir dalga cephesinin farklı noktalarının ayırıcı yüzeye farklı zamanlarda ulaşmasının, dalganın neden yön değiştirdiğini (kırıldığını) fiziksel olarak açıkladığını gösterir.

Örnek: Farklı Derinlikteki Ortamlarda Dalga Boyu Karşılaştırması

Derinlikleri farklı X, Y, Z ortamlarında yayılan su dalgalarının dalga boyları sırasıyla λ_x, λ_y, λ_z'dir. Su dalgalarının derinlik arttıkça sürati (ve dolayısıyla dalga boyu, çünkü frekans sabit) arttığından, dalga boyu büyük olan ortamın derinliği de büyüktür. Bu ilişkiden yararlanılarak dalga boyları karşılaştırılan ortamların derinlikleri de büyükten küçüğe sıralanabilir (dalga boyu sıralamasıyla aynı sıradadır).

Laboratuvar Gözlemi: Dalga Leğeni Deseni

Su dalgalarının özelliklerini incelemek için kullanılan dalga leğeni, cam tabandan oluşan ve içinde su bulunan bir kaptır; kenarındaki motora bağlı titreştirici doğrusal su dalgaları üretir. Su yüzeyinde oluşan dalgalara üstten gelen paralel ışınlar, cam tabanın altındaki beyaz ekranda bir desen oluşturur: dalga tepelerinin altında aydınlık, dalga çukurlarının altında karanlık bölgeler oluşur. Leğenin bir bölümüne cam levha yerleştirilerek yapay bir sığ bölge oluşturulduğunda, bu bölgedeki dalga boyunun (ekrandaki aydınlık-karanlık bant aralığının) derin bölgeye göre daha kısa olduğu gözlemlenir — bu, sığ ortamda dalga boyunun kısaldığının doğrudan görsel kanıtıdır.

Kırılma ve Yansımanın Birlikte Değerlendirilmesi

Bir dalganın gelme açısı, kırılma açısı ve buna bağlı sürat/dalga boyu değişimleri incelenirken şu ilişkiler kontrol edilir: dalganın frekansı hiçbir zaman değişmez (kaynağa bağlıdır); yansımada sürat ve dalga boyu sabit kalır, yalnızca yön değişir; kırılmada ise sürat ve dalga boyu değişir, yön de değişir (dalga ayırıcı yüzeye açılı geliyorsa).

Özet

• Kırılma, farklı derinlikteki ortamlar arasında geçiş yapan su dalgalarının yön değiştirmesidir; bu olayda dalga boyu ve yön değişir ama frekans sabit kalır (frekans yalnızca kaynağa bağlıdır).
• Derin ortamdan sığ ortama geçen dalga yavaşlar, dalga boyu kısalır ve yüzey normaline yaklaşarak kırılır; sığ ortamdan derin ortama geçen dalga hızlanır, dalga boyu uzar ve yüzey normalinden uzaklaşarak kırılır.
• Ayırıcı yüzeye paralel gelen dalgalarda yön değişmez, yalnızca sürat ve dalga boyu değişir; açılı gelişte ise hem sürat/dalga boyu hem de yön (açı) değişir — dalga cephesinin farklı noktalarının ayırıcı yüzeye farklı zamanlarda ulaşması bu yön değişiminin fiziksel nedenidir.