Zákon odrazu a lomu v přírodě: Vysvětlení

V přírodě se můžeme setkat s různými jevy, které souvisejí s odrazem a lomem vlnění. Tento článek se zaměří na vysvětlení těchto zákonů, zejména v kontextu ultrazvukového vlnění.

Ultrazvuk: Základní vlastnosti a principy

Ultrazvuk je mechanické vlnění vyvolané vzájemným rozkmitáním elastických částic, jehož frekvence je vyšší než 20 kHz. Pro člověka tato frekvence leží nad hranicí slyšitelnosti. Ultrazvuk je část zvukového vlnění a má všechny jeho vlastnosti.

V závislosti na frekvenci se ultrazvukové vlnění dělí na tři kategorie:

• Silový ultrazvuk s frekvencí 20-100 kHz
• Vysokofrekvenční s frekvencí do 100 kHz do 1 MHz
• Diagnostický ultrazvuk o frekvencích 1-500 MHz

V chemii se využívají frekvence od 20 do 100 kHz, tyto frekvence jsou schopny vyvolat kavitaci bublin. Zvířata k navigaci a komunikaci používají frekvence těsně nad 20 kHz. K tomu, aby mohlo dojít k přenosu je zapotřebí mít tři základní části - zdroj zvuku, prostředí, ve kterém se šíří a přijímač.

Dělí se do čtyř rozdílných kategorií a to podélné vlny, příčné vlnění, povrchové a deskové, v závislosti na typu vibrací částic prostředí. Mechanické vlnění a tedy i ultrazvuk můžeme popsat frekvencí nebo periodou, amplitudou, vlnovou délkou a rychlosti šíření.

Čtěte také: Zákon o odpadech: podrobný výklad

Čím je prostředí hutnější (jeho částice jsou blíže k sobě), tím je rychlost vlnění větší. Nejpomaleji se tedy bude vlnění šíři v plynech, rychleji v kapalinách a nejrychleji v pevných tělesech. V lidském těle se rychlost šíření pohybuje kolem 1540 m/s.

V přírodě mohou být zdrojem ultrazvuku i různé generátory slyšitelného zvuku, jako například šum větru, hluk vodopádu apod. Dalším přírodním zdrojem může být hmyz (např. včely), netopýří, delfíni atd. Intenzita ultrazvuku je ovšem malá. Zdrojem uměle vytvářeného ultrazvuku je ultrazvukový generátor.

Šíření zvuku

Mechanické vlnění a tedy i zvuk se šíří ve všech skupenstvích látky pomocí vazeb mezi částicemi. Částice sama o sobě se nikam nešíří, ale přenáší energii kmitavého pohybu na sousední částice a dochází k šíření kmitu. Prostředí se nazývá pružným. Rozlišujeme druhy šíření - stojaté a postupné.

Postupné se dále dělí na postupné příčné a podélné. V plynech a kapalinách se zvuk šíří jako postupné podélné vlnění (kruhy na vodě). V pevných látkách se šíří postupným příčným vlněním (vibrace ladičky) i podélným. V živých tkáních se šíří stejně jako v tekutinách, tedy postupně podélně.

Rychlost zvuku závisí na prostředí, ve kterém se šíří. Pro vzduch o normální teplotě je rychlost šíření cca 340 m/s a je stejná pro vlnění všech frekvencích.

Čtěte také: Lesní zákon a stavby

Odraz a lom ultrazvuku

K odrazu dochází na odrazových plochách, které jsou větší než je vlnová délka vlnění. Odraznými plochami se rozumí rozhraní materiálů s různou akustickou impedancí, ta je definována součinem hustoty a rychlosti vlnění v daném materiálu. Jestliže se vlnění od rozhraní odrazí, je úhel odrazu α2 roven úhlu dopadu α1.

Jestliže ultrazvuková vlna dopadne na rozhraní dvou vrstev s různou akustickou impedancí, částěčně se odrazí zpět ke generátoru UVZ (sondě). Odražená energie je přímo úměrná rozdílu akustických impedancí prostředí tvořící rozhraní. V druhém případě, kdy vlnění prochází prostředími s rozdílnou rychlostí vedení ultrazvuku, dochází k lomu.

Mechanické vlnění procházející z prostředí akusticky řidšího do prostředí akusticky hustšího, se láme ke kolmici. Naopak při průchodu z akusticky hustšího do řidšího prostředí se vlnění láme od kolmice. Opačně než je tomu u optiky. K úplnému odrazu dochází při přechodu z akusticky řidšího do akusticky hustšího prostředí.

Jestliže vlnění dopadá pod úhlem, který se nazývá mezný úhel αm, pak se láme pod úhlem 90°.

Útlum a absorpce ultrazvuku

Průchodem ultrazvuku prostředím dochází k útlumu intenzity absorpcí (přeměnou na tepelnou energii) a rozptylem. Útlum vyjadřuje pokles amplitudy vlny podél její dráhy. Závisí na frekvenci. Vyjádříme-li intenzitu ultrazvuku v decibelech, můžeme pozorovat lineární pokles odražených vln.

Čtěte také: Omezení ohrožení v ČR

Jestliže vlna prochází ztrátovým prostředím, dochází k absorpci energie přeměnou na teplo. Absorpce je přímo úměrná druhé mocnině frekvence. Čím je frekvence větší, tím je hloubka průniku ultrazvukového vlnění menší. Hloubka průniku pro frekvenci 3-5 MHz je cca 20 cm.

Absorpce se zvětšuje se vzrůstající frekvencí, tedy opačně, než je tomu u záření rentgenového. Je nejmenší v měkkých tkáních, naopak v plicích a menších kostech je absorpce vysoká.

Pokud vlnění dopadne na plochu menší než je jeho vlnová délka (např. krevní buňky), dochází k rozptylu. Hloubka průniku závisí na frekvenci ultrazvukové vlny. Platí nepřímá úměrnost.

Dopplerův jev

Dopplerův efekt popisuje změnu frekvence pohybujícího se objektu. Tento jev v běžném životě lze pozorovat např. u houkající sanitky. V případě, kdy sanitka stojí, její sirény vydávají zvuk s určitou frekvencí f. Jestliže se pohybuje směrem k pozorovateli, rychlost šíření vlnění a vozidla se sčítá a slyšíme zvuk s vyšší frekvencí.

Vysílá-li zdroj zvuku Z vlnění o frekvenci f=v/λ a jsou-li zdroj Z i přijímač P1 a P2 v klidu, dorazí k přijímači vlnění se stejnou frekvencí f=v/λ (za jednotku času dorazí stejný počet vlnoploch).

1. Zdroj zvuku je v pohybu a přijímač v klidu. Je-li přijímač P2 v klidu a zdroj vlnění se k němu přibližuje rychlostí w, vlnoplochy se před zdrojem zhušťují, jejich vzdálenost se zmenšuje a přijímač zachycuje zvuk s vyšší frekvencí. Je-li přijímač P1 v klidu a zdroj vlnění se od něj vzdaluje rychlostí w, vzdálenost mezi vlnoplochami se zvětšuje a přijímač zachycuje zvuk s nižší frekvencí.

2. Zdroj zvuku je v klidu a přijímač v pohybu. Jestliže se přijímač P1 přibližuje ke zdroji vlnění rychlostí u, zachytí více vln a pozoruje zvuk s vyšší frekvencí.

Intenzita ultrazvuku a bezpečnost

Využívaná intenzita (prostorově špičková, časově průměrná) v diagnostice je do 720 mW.cm-2, v oftalmologii do 50 mW.cm-2, záleží na použitém režimu zobrazení a vyšetřované tkáně. Do 1,5 W.cm-2 jde o bezpečné použití. V rozmezí 1,5 W.cm-2 až 3 W.cm-2 může dojít k vratnému poškození tkáně vysrážením kapének tuku. Nad 3 W.cm-2 dochází k nevratnému mechanickému poškození tkáně. V diagnostice se používají hodnoty kolem 10-10 W.cm-2. V medicíně se využívá ultrazvuk o frekvenci 1-10 MHz.

Přestože je ultrazvuk, na rozdíl od RTG, neionizujícím zářením, je nutné jej užívat s opatrností a uvážlivě. Šířením ultrazvuku prostředím dochází k rozkmitání jeho molekul a tím k rychlým změnám tlaku. K mechanickému poškození může docházet vlivem rychlého střídání lokálního tlaku, tzv.

Při průchodu ultrazvuku tkáněmi se velká část energie přeměňuje na mechanickou, dochází k vibracím tkání a to má za důsledek zvětšení propustnosti buněčných membrán a zlepšení tkáňové difúze. Pro frekvenci 1 MHz je nejoptimálnější hloubka pro mechanické účinky v 8 cm. Průchodem ultrazvuku tkání se část energie absorbuje, kinetická energie molekul tkání se zvětší a dojde ke zvýšení teploty. Tohoto účinku je využíváno v ultrazvukové terapii.

Vlivem absorpce mechanické energie tkáněmi dochází k biologickým účínkům. Podstatná je velikost intenzity a frekvence. Intenzity do 3 W.cm-2 mají terapeutické účinky (jsou vratné), nad 6 W.cm-2 již dochází k nevratným tkáňovým změnám. K předcházení rizika nebezpečné expozice byly zavedeny mechanický MI a tepelný index TI.

• Mechanický index MI [W.cm-2, MHz-1/2] - vyjadřuje stupeň nebezpečí poškození tkáně kavitací a je závislý na frekvenci a energii vyslaného ultrazvukového vlnění. Použitím echokontrastních látek se nebezpečí zvyšuje.

Ultrazvukové kontrastní látky

První zmínka o použití ultrasonografických kontrastních látek, ke zvýšení rozptylu krve, je z roku 1968. Pozorován byl kontrast po aplikaci fyziologického roztoku do aorty během srdeční katetrizace. To bylo způsobeno vzduchovými mikrobublinami vzniklé kavitací během injekce roztoku. Od té doby bylo úsilí věnováno klinicky relevantních USG kontrastních látek tzv. mikrobublin.

První problém byla nízká stabilita a velikost mikrobublin, které musí být schopné průchodu plicním oběhem po intravenózní aplikaci, což vyžaduje průměr mikrobublin menší než 10 μm. Mikrobubliny jsou menší než červené krvinky (průměr 3-10 μm) a jsou složeny z pláště, který je z netoxických přírodních nebo syntetických biologických rozložitelných materiálů jako je protein, lipidy nebo polymer, a z malého množství inertního nereaktivního plynu nízké rozpustnosti (vzduch, perfulocarbon, fluorid sírový).

V praxi se ultrazvukové KL používají k hodnocení ložiskových lézí parenchymatózních orgánů, především jater, kdy na základě charakteru a kinetiky sycení přispívají k diagnostice ložisek. Aplikace mikrobublin je užitečná v zobrazení dalších orgánů (ledviny, prsu, prostaty a dělohy) a dutin (močový měchýř, močovody, vejcovody a abscesy).

V České republice dosud není metoda ultrazvuku s použitím kontrastní látky tak rozšířená jako u CT nebo MRI vyšetření. USG KL se aplikují pouze na některých specializovaných pracovištích. První kontrastní látkou schválenou pro Evropu byl v roce 1991 přípravek Echovist®. Dnes je pro praxi schválen Optison® a SonoVue®.

Zákon odrazu a lomu světla

Při šíření světla často nastane případ, kdy světlo dopadá na rozhraní dvou optických prostředí. Příkladem může být sluneční světlo dopadající na hladinu jezera. Světlo se na hladině odráží, ale také proniká do vody. Říkáme, že na rozhraní dvou prostředí dochází k odrazu a lomu světla. K popisu obou jevů použijeme zákony geometrické optiky, které se řídí následujícími zákony:

• Světlo se šíří rovnoměrně přímočaře, o tom svědčí např. vznik stínu za překážkou. Jestliže zdroj světla není bodový, pak kolem vrženého úplného stínu vzniká i polostín.
• Zákon záměnnosti chodu paprsků: Šíří-li se světlo z bodu A do bodu B po jisté trajektorii, pak by se šířilo z bodu B do bodu A po téže trajektorii.
• Princip nezávislosti chodu světelných paprsků: paprsky, které vycházejí z jednoho zdroje světla se navzájem protínají, přitom se však neovlivňují a postupují prostředím nezávisle jeden na druhém.

V místě dopadu světla na rozhraní vztyčíme kolmici, kterou nazýváme kolmice dopadu. Úhel α, který svírá paprsek dopadajícího světla s kolmicí dopadu, je úhel dopadu; úhel α´, který svírá paprsek odraženého světla s kolmicí dopadu, je úhel odrazu.

Pro odraz světla platí zákon odrazu: Velikost úhlu odrazu α´ se rovná velikosti úhlu dopadu α. Dopadající a odražený paprsek leží ve stejné rovině - v rovině dopadu. Úhel odrazu nezávisí na frekvenci světla.

K lomu světla dochází na rozhraní dvou prostředí, proniká-li světlo z jednoho prostředí do prostředí druhého. Úhel dopadu označíme α, úhel β, který svírá lomený paprsek s kolmicí dopadu, je úhel lomu.

Willebrord Snell publikoval svůj vztah takto: Poměr sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu je pro danou dvojici prostředí stálá veličina, která je určena podílem rychlostí světla v obou prostředích.

Je-li n1 < n2 (v1 > v2), pak jde o přechod světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího. Ze Snellova zákona vyplývá sin α > sin β a z vlastností funkce sinus také α > β. Je-li n1 > n2 (v1 < v2), pak jde o přechod světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího. Ze Snellova zákona vyplývá sin α < sin β a z vlastností funkce sinus také α < β. Úhel lomu β je menší než úhel dopadu α, říkáme, že nastal lom od kolmice.

S rostoucím úhlem dopadu se zvětšuje i úhel lomu a při určitém, tzv. mezním úhlu dopadu bude . To je maximální úhel, při němž ještě nastává lom světla. Při větších úhlech dopadu () lom světla nenastává a světlo se jen odráží.

Snellův zákon lomu lze pro úplný odraz zapsat ve tvaru: . Vzhledem k tomu, že , lze psát . Na základě tohoto vztahu (tedy měřením mezního úhlu) lze určit index lomu látky, kterou světlo prochází.

Na úplném odrazu světla jsou založeny také vláknové vlnovody, které se využívají v optoelektronice a ve sdělovací technice. Základem vláknového vlnovodu je skleněné vlákno, jehož střední část má větší index lomu než obvodová vrstva.

tags: #zákon #odrazu #a #lomu #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Diplomová Práce: Ekosystém Vzor
• Domy z přírodních materiálů
• Správné třídění celofánu
• Co Znamená Relevantní Druh Odpadu?
• Více o jaguarundi