Fāze — definīcija un piemēri: Mēness un Venēras fāzes, svārstības

Uzzini, kas ir fāze: skaidra definīcija un ilustrēti piemēri — Mēness un Venēras fāzes, svārstību jēdziens un grafiki vienkārši saprotami.

Fāze ir viena no cikla vai pārmaiņu daļām, kas iet pa apli — periodiska procesa stāvoklis noteiktā brīdī. Piemēram, mēnesim ir fāzes, kas atkārtojas aptuveni ik pēc 29,5 dienām (sinodiskais mēness periods).
Tipiskas mēness fāzes pēc secības: jaunmēness, augošs sirpis, pirmais ceturksnis, augošs pussirpis (gibbous), pilnmēness, dilstošs pussirpis, pēdējais ceturksnis un dilstošs sirpis. Šīs fāzes rodas tāpēc, ka zemes un mēness relatīvā ģeometrija nosaka, kādu daļu no Mēness apgaismotās puses redzam no Zemes.

Mēness un Venēras fāzes

Gada laiki — pavasaris, vasara, rudens un ziema — arī ir fāzes (gadskārtu cikla posmi). Planētai Venērai tāpat kā mēnesim ir fāzes: atkarībā no tā, kā Venēra atrodas attiecībā pret Zemi un Sauli, mēs no Zemes ieraugām dažādas apgaismotās planētas daļas. Galilejs pierādīja, ka Veneras fāzes nozīmē, ka tai ir jāiet ap Sauli, nevis ap Zemi, — tas bija nozīmīgs arguments heliocentriskās sistēmas atbalstam. Līdzīgi arī citi iekšējie planētu novērojumi (piem., Merkura fāzes) atbilst tam, ka planētas riņķo ap Sauli.

Fāze kā svārstību un viļņu īpašība

Lietas, kurām ir fāzes, laiku pa laikam mainās kādā regulārā veidā. Piemēram, pulksteņa svārsts pārvietojas no kādas pozīcijas (ko sauc par tā "pārvietojumu") pa kreisi (ar algebras apzīmējumu -x) uz leju un tad uz kādu pozīciju pa labi (ar algebras apzīmējumu +x). Šo kustību var aprakstīt ar sinusoīdu: x(t) = A sin(ωt + φ), kur φ ir fāze, ω — leņķiskā frekvence un A — amplitūda.

Diviem svārstiņiem var būt vienāds garums, bet, ja vien tie nesāks šūpoties vienā un tajā pašā laikā un vietā, tad tie nekustas kopā. Viens svārsts var šūpoties pa kreisi, bet otrs šūpoties pa labi — ja notiek kaut kas tāds, abas svārstības "nav fāzē". Precīzāk, runā par fāžu atšķirību (Δφ) starp divām svārstībām vai viļņiem:

• Ja Δφ = 0 (vai vesela 2π reizinājuma), svārsti ir sinktornē — "in phase" (kustas vienā ritmā).
• Ja Δφ = π (180°), tie ir pretfāzē — viens atrodas kustības maksimumā, otrs minimumā (antifāze).
• Jebkura cita Δφ nozīmē daļēju nobīdi — daļēju sinhronizāciju vai aizkavi laika ziņā.

Grafiki, viļņu interferenci un fāžu vizualizācija

Grafikus var izveidot lietām, kurām ir fāzes — visbiežāk izmanto sinusoidālas funkcijas, lai attēlotu svārstības vai viļņus laika atkarībā. Attēlojot divus viļņus vienā grafikā, redzams, vai tie ir sinhroni, nobīdīti vai pretfāzē. Fāžu atšķirības ietekmē arī interferenci:

• konstruktīva interference — viļņi ar Δφ = 0 summējas un rodas lielāka amplitūda;
• destruktīva interference — viļņi ar Δφ = π daļēji vai pilnīgi anulē viens otru.

Praktiskas piezīmes un papildu jēdzieni

• Fāzi mēra grādos (0°–360°) vai radiānos (0–2π). Laika nobīdi var izteikt kā fāzes nobīdi, ņemot vērā signāla periodu.
• Fāzes nobīde var rasties dēļ laika aizkaves, starpības sākuma moments vai atšķirīgas sākuma pozīcijas.
• Ja svārsti ir savienoti vai mijiedarbojas (piem., caur gaisu vai mehānisku saitēm), tie var sinhronizēties — notiek fāžu piesaistīšana (phase locking).
• Fāze ir būtisks jēdziens ne tikai klasiskiem svārstījumiem, bet arī elektromagnētiskajiem viļņiem, skaņai, radioviļņiem un kvantu mehānikā (kur fāze nosaka viļņu funkcionālo uzvedību).

Kopumā fāze palīdz saprast, kurā cikla punktā vai stāvoklī atrodas periodisks process, un kā dažādi procesi savstarpēji saskaņojas vai novirzās. Tas ir gan praktisks instruments novērošanā (piem., Mēness un Venēras fāžu aprakstīšanā), gan matemātisks rīks fizikas un inženierijas uzdevumos.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir fāze?

J: Vai varat minēt piemēru, kam ir fāzes?

J: Kā Galilejs izmantoja Veneras fāzes, lai pierādītu kaut ko par tās orbītu?

J: Ko var izmantot, lai attēlotu lietas ar fāzēm?

J: Kā lietas ar fāzēm mainās laika gaitā?

Vai divi svārstiņi var kustēties kopā, ja to garums ir atšķirīgs?

Meklēt pēc burta