Fas (matematik): definition och exempel på periodiska fenomen

En fas är en del av en cykel eller en förändring som går i en cirkel. Månen har till exempel faser.
Årets årstider, vår, sommar, höst och vinter, är också faser. Planeten Venus har faser, precis som månen: Galileo visade att Venus faser innebar att den måste gå runt solen, inte runt jorden.

Grafer kan göras för saker som har faser. Saker som har faser förändras regelbundet från tid till annan. Till exempel rör sig en pendel i en klocka från ett visst läge (som kallas "förskjutning") till vänster (betecknat -x med algebra), till botten och sedan till ett visst läge till höger (betecknat +x med algebra). Två pendlar kan ha samma längd, men om de inte börjar svänga vid samma tidpunkt och plats kommer de inte att röra sig tillsammans. Den ena kanske svänger till vänster medan den andra svänger till höger. När något sådant händer är de två svängningarna "inte i fas".

Matematisk definition

I matematik och fysik beskriver fas hur långt ett periodiskt fenomen har kommit i sin cykel vid en viss tidpunkt. En enkel och vanlig beskrivning är en sinusvåg:

y(t) = A sin(ωt + φ)

där

• A är amplituden (vågens storlek),
• ω är vinkelfrekvensen (ω = 2π/T, där T är perioden),
• φ är fasen eller fasvinkeln, normalt mätt i radianer (eller grader).

Fas kan tolkas som ett förskjut i tiden: två vågor med samma A och ω men olika φ är förskjutna i förhållande till varandra. Fasskillnaden mellan två vågor y1 och y2 är Δφ = φ2 − φ1. Om Δφ = 0 är de i fas; om Δφ = π (180°) är de i motsatt fas.

Fas och interferens

När två eller flera vågor träffas påverkar deras faser summan av vågorna:

• Om vågorna är i fas (samma φ) förstärks de och ger konstruktiv interferens.
• Om de är i motsatt fas (φ skiljer sig med π) kan de släcka ut varandra, vilket kallas destruktiv interferens.

Detta är grunden för många fenomen: ljud som förstärker eller släcker varandra, ljusinterferens i tunna filmer (t.ex. oljefläckar) och stående vågor på strängar eller i rör.

Exempel och tillämpningar

• Pendlar och klockor: Om två pendlar startar vid olika tidpunkter har de en fasförskjutning och rör sig inte tillsammans. Fenomenet synkronisering (till exempel svängande pendlar som låser fas) är viktigt i mekanik och biologiska system.
• Ljud: Två ljudtoner med nästan samma frekvens ger upphov till "beats" — en långsamt varierande volym som beror på fasskillnaden och frekvensskillnaden.
• Elektricitet: I växelström (AC) är fasskillnaden mellan spänning och ström viktig för effektöverföring. Power factor = cos(φ) beskriver hur stor del av den levererade effekten som verkligen används.
• Signalbehandling och telekommunikation: Fas innehåller information i många signaler (t.ex. i fasmodulering, FM/PM). Fasens spektrum används för att analysera signalers egenskaper.
• Komplexa tal och fasorer: En sinusvåg kan representeras som en fasor A e^{iφ} i komplex form, vilket förenklar beräkningar i linjära system och vid interferens.

Mätning och enheter

Fas mäts vanligen i radianer (0 till 2π) eller grader (0° till 360°). Eftersom faser är periodiska gäller att φ och φ + 2π representerar samma position i cykeln — man säger att fasen är definierad modulo 2π. Vid analys av signaler används ofta phase unwrapping för att ta bort hopp vid ±π när man följer fas över tid eller frekvens.

Sammanfattning

Fas är ett grundläggande begrepp för alla periodiska fenomen. Det beskriver var i sin cykel ett system befinner sig och avgör hur olika vågor samspelar. Från månens faser och årstidernas cykler till svängningar i elektriska kretsar och signalöverföring — förståelse för fas hjälper att förklara både vardagliga och tekniska fenomen.

Frågor och svar

F: Vad är en fas?

F: Kan du ge ett exempel på något som har faser?

F: Hur använde Galileo Venus faser för att bevisa något om Venus bana?

Fråga: Vad kan användas för att representera saker med faser?

F: Hur förändras saker med faser med tiden?

F: Kan två pendlar röra sig tillsammans om de är olika långa?

Sök med bokstav