Fáza – definícia vo fyzike a príklady (mesiac, sezóny, kmitanie)

Fáza vo fyzike: jasná definícia a praktické príklady (Mesiac, Venuša, ročné obdobia, kmitanie), grafy a vysvetlenia pre študentov a zvedavých čitateľov.

Fáza je jedna časť cyklu alebo zmeny, ktorá prebieha v kruhu. Napríklad Mesiac má fázy.
Ročné obdobia, jar, leto, jeseň a zima, sú tiež fázy. Planéta Venuša má fázy rovnako ako Mesiac: Galileo ukázal, že fázy Venuše znamenajú, že musí obiehať okolo Slnka, nie okolo Zeme.

Fáza v periodických procesoch

V širšom fyzikálnom zmysle označuje fáza polohu v cyklickom alebo periodickom procese v danom čase. Veci, ktoré majú fázy, sa z času na čas pravidelne menia — majú periodu a opakujúci sa priebeh. Fáza pomáha určiť, v akej časti tejto opakujúcej sa zmeny sa objekt nachádza (napr. stúpajúca časť, vrchol, klesajúca časť alebo základná poloha).

Matematické vyjadrenie fázy

Periodické javy sa často opisujú sínusovými alebo kosínusovými funkciami. Základný tvar je napríklad: A sin(ωt + φ), kde

• A je amplitúda (maximálna výchylka),
• ω (omega) je uhlová frekvencia (súvisí s periódou T cez ω = 2π/T),
• t je čas,
• φ (fáza) je počiatočný fázový uhol — udáva, v ktorej časti cyklu sa systém nachádza pri čase t = 0.

Fázu možno merať v radiánoch alebo stupňoch (2π radiánov = 360°). Dva sínusové signály s rovnakou frekvenciou sa považujú za v (rovnej) fáze, ak ich fázové uholy sú rovnaké (rozdiel φ = 0 modulo 2π). Ak je rozdiel fáz φ = π (180°), sú signály v protifáze — jeden dosahuje maximum práve keď druhý dosahuje minimum.

Fázový posun a rozdiel fáz

Fázový posun (alebo rozdiel fáz) Δφ = φ2 − φ1 určuje relatívne oneskorenie alebo posun medzi dvoma periodickými priebehmi. Tento rozdiel je rozhodujúci pri interferencii vĺn:

• Ak Δφ = 0 (alebo celé násobky 2π), vlny sa skladajú konštruktívne a výsledná amplitúda sa zvýši.
• Ak Δφ = π (alebo nepárny násobok π), vlny sa skladajú deštruktívne a môžu sa navzájom vyrušiť.

V praxi sa fáza používa na opis správania vln v optike, akustike, rádioelektronike a pri analýze signálov (napr. fázová odozva filtra, fázová modulácia).

Príklady

Mesiac: Fázy Mesiaca (nov, prvá štvrť, spln, posledná štvrť) sú dôsledkom relatívnej polohy Slnka, Zeme a Mesiaca. Vidíme rôzne časti osvetlenej Mesiaca podľa toho, aký uhol vytvárajú tieto tri telesá.

Sezónne fázy: Ročné obdobia (jar, leto, jeseň, zima) možno považovať za fázy ročného cyklu Zeme. Ich striedanie je spôsobené náklonom osi Zeme a jej obehom okolo Slnka, v dôsledku čoho sa mení uhol dopadu slnečného žiarenia počas roka.

Kmitanie a hodiny: Napríklad kyvadlo v hodinách sa pohybuje z nejakej polohy (nazývanej jeho "posun") doľava (označenej algebrou -x), dole a potom do nejakej polohy doprava (označenej algebrou +x). Dve kyvadlá môžu mať rovnakú dĺžku, ale pokiaľ nezačnú kývať v rovnakom čase a na rovnakom mieste, nebudú sa pohybovať spoločne. Jedno sa môže kývať doľava, zatiaľ čo druhé sa kýve doprava. Keď sa niečo také stane, obe kmitania "nie sú vo fáze". Ak majú rovnakú frekvenciu, hovoríme, že medzi nimi existuje určitý fázový rozdiel; ak sa tento rozdiel časom nemení, sú neočordinované (konštantný posun), ak sa mení, môže nastať synchronizácia alebo zmena obdobia.

Vlny a interferencia: Pri dvoch akustických alebo elektromagnetických vlnách s rovnakou frekvenciou určuje ich fázový rozdiel výsledné zloženie signálu. V hudbe sa napríklad superpozícia dvoch tónov s malým fázovým posunom môže viesť k periodickému zosilneniu a utlmeniu (bifázy alebo „beats“).

Venuša a Galileo: Pozorovania Galilea fáz Venuše poskytli dôležitý dôkaz, že Venuša obieha okolo Slnka, nie okolo Zeme. Rôzne fázy planéty boli konzistentné s heliocentrickým modelom slnečnej sústavy.

Praktické využitie pojmu fáza

• Elektronika a energetika: fázový posun medzi napätím a prúdom v AC obvodoch ovplyvňuje účinník (power factor).
• Telekomunikácie: fázová modulácia (PM) a fázovo zmapované antény využívajú kontrolu fázy signálov.
• Signálové spracovanie: korelácia a analýza fázového spektra pomáhajú detegovať oneskorenia a posuny medzi signálmi.

Zhrnutie

Fáza je základný pojem pri opise všetkých periodických javov — od pohybu kyvadla cez fázy Mesiaca až po elektrické sínusoidy. Umožňuje presne určiť, v ktorej časti cyklu sa systém nachádza, a relatívne porovnania medzi dvoma alebo viacerými periodickými priebehmi. Fázové rozdiely rozhodujú o tom, či sa priebehy navzájom zosilňujú alebo rušia, čo má priame dôsledky v prírode aj technike.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to fáza?

Otázka: Môžete uviesť príklad niečoho, čo má fázu?

Otázka: Ako Galileo použil fázy Venuše, aby dokázal niečo o jej obežnej dráhe?

Otázka: Čo sa dá použiť na znázornenie vecí pomocou fáz?

Otázka: Ako sa veci s fázami menia v čase?

Otázka: Môžu sa dve kyvadlá pohybovať spolu, ak majú rôznu dĺžku?

Hľadajte podľa písmena