Kleur in de natuurkunde

Om terug of verder te gaan binnen de lessenreeks van perceptie, klik op de pijl van het uitklapmenu onderaan deze bijles en kies de les van jouw keuze.

Hoe beschrijven natuurkundigen het begrip kleur?

Kleuren spelen een grote rol in jouw perceptie van de mensen in je omgeving en de wereld om je heen. Ze geven ons belangrijke informatie, denk maar eens aan alle signalen die je dagelijks (in kleur) krijgt te verwerken.

Al heel lang proberen mensen beelden vast te leggen in allerlei kleuren en ook om het gebruik van kleuren vast te leggen in wetenschappelijke theorieën. Zoek je naar kleurtheorieën in Google dan je vindt duizenden hits, van astrologie tot woninginrichting. Je stemming wordt ook bepaald door de kleuren die je ziet en jouw waarneming is dus erg subjectief. 

Ook de gevoeligheid van je oog voor verschillende kleuren is per mens verschillend. Dus iedereen ziet een gekleurd plaatje een beetje anders.

Voor een grote groep mensen is wel een gemiddelde gevoeligheid voor kleuren bepaald.

De gemiddelde gevoeligheid van menselijke ogen voor verschillende kleuren. De verticale schaal van de grafiek loopt van 0 tot 1 (maximaal gevoelig) en de horizontale schaal met de golflengtes in lucht is zo gekozen om de kleuren goed te laten uitkomen.

In de natuurkunde kijken we wat objectiever naar licht en kleur. De straling die je ogen kunnen waarnemen en omzetten naar signalen voor je hersenen heeft dezelfde eigenschappen als andere 'elektromagnetische golven'.

Die kunnen we beschrijven met de natuurkundige begrippen golflengte, frequentie, amplitude en intensiteit.

Trillingen

We maken een paar vereenvoudigingen: we verwaarlozen wrijvingskrachten, demping en we laten de deeltjes die de golf vormen alleen harmonische bewegingen uitvoeren. Onze beschrijving is dus niet voldoende om de mooie branding uit de afbeelding te verklaren, die golven zien er niet bepaald sinusvormig uit.

Een golf bestaat uit een patroon dat gevormd wordt door een reeks deeltjes, die een harmonische trilling uitvoeren en daarbij de trillingsenergie aan elkaar doorgeven. Dat kan alleen als de deeltjes aan elkaar gekoppeld zijn: ze moeten krachten op elkaar kunnen uitoefenen.

De beweging van elk deeltje apart kan beschreven worden met de formules:

>

waarin u de uitwijking uit de evenwichtsstand is op tijdstip t, v de snelheid, a de versnelling, A de maximale uitwijking of amplitude, f de frequentie van de trillende deeltjes en Φ₀ de beginfase.

Als je de deeltjes dan op een rijtje legt en ze maken allemaal dezelfde beweging (maar wel telkens iets later!) dan zie je een golfbeweging.

De golf wordt dan vastgelegd met de formule:

>

waarin λ de golflengte, v de golfsnelheid en f opnieuw de frequentie is.

Lopende transversale golven

Bij transversale golven bewegen de deeltjes loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf. Dat zie je in figuur 1.

Je moet hier wel goed onderscheid maken tussen de rij deeltjes die samen de golfvorm bepalen: een 'film' die een sinusvorm heeft en de bewegingsgrafieken van elk deeltje afzonderlijk: óók een sinusvorm, maar nu een grafiek! In de film zie je dus de lengte en hoogte als grootheden, in de grafiek de uitwijking als functie van de tijd. Enkele voorbeelden zijn: de golven van een wateroppervlak, elektromagnetische golven en licht.

Lopende longitudinale golven

Bij longitudinale golven bewegen de deeltjes langs een lijn in de voortplantingsrichting van de golf. Dat zie je in figuur 2.

De transversale watergolven die zo mooi evenwijdig aan de kust aankomen doen dat omdat er breking optreedt: de golflengte is afhankelijk van de golfsnelheid v en de frequentie f. De golfsnelheid is sterk afhankelijk van de waterdiepte: hoe ondieper het water, hoe lager de snelheid. (NB.: de frequentie verandert niet!) Net als bij een andere transversale golf, licht, treedt er breking op naar de normaal toe.

We doen maar even net alsof het water in stappen ondieper wordt. Je ziet het: door de afnemende golfsnelheid wordt de golflengte korter en treedt er breking op naar de normaal toe.

De energie die opgeslagen zit in de golven vermindert niet bij breking, maar omdat de golflengte steeds korter wordt, krijgen steeds minder waterdeeltjes de energie van de golf. De amplitude zal daarom moeten toenemen. 
In formule:

>

Aan het strand wordt de golf ten slotte zo hoog dat hij omvalt. 

Bij heel erg lange golflengtes (enkele kilometers lang) kan de amplitude van de golf laag zijn, maar er zit dan toch erg veel energie in de golf opgeslagen. Dat werd wel heel duidelijk bij de grote tsunami ramp in 2004 in de Indische Oceaan.