Licht vs geluid

Licht en geluid: je wordt er continu aan blootgesteld en het zijn beide fundamentele onderwerpen in de natuurkunde. Maar als je moeite hebt met het begrijpen van wat er nu eigenlijk precies gebeurt tussen licht- of geluidbron en je zintuigen, ben je zeker niet de enige. Het leuke is dat licht en geluid behoorlijk wat overeenkomstige eigenschappen hebben, omdat het beide golven zijn. Het vergelijken van deze twee natuurkundige verschijnselen kan daarom heel inzicht gevend zijn. Eerst even ons geheugen opfrissen en ons voorstellingsvermogen activeren ...

Geluid

Geluid wordt veroorzaakt door een geluidsbron: een trillend object. Denk bijvoorbeeld aan een trommel. Als je hier op slaat zal het horizontale vel zeer snel op en neer gaan bewegen. Het trommelvel brengt op deze manier de luchtmoleculen boven het vel in beweging wat ervoor zorgt dat een serie luchtdrukverschillen zich zullen voortplanten door de lucht. Wanneer deze serie luchtdrukverschillen je oren bereiken, brengen deze je trommelvlies aan het trillen wat je zult waarnemen als ‘geluid’. Deze serie voortplantende luchtdrukverschillen wordt als een golf voorgesteld met pieken bij drukmaxima en dalen bij drukminima. Een hoge frequentie (aantal geluidsgolven per seconde) geeft een hoge toon, een lage frequentie een lage toon.

Licht

Wat licht precies is en hoe het ontstaat, is wat lastiger te begrijpen dan geluid. Licht kan gezien worden als een snelle stroom lichtdeeltjes (fotonen) of juist als een elektromagnetische golf. Dit artikel beperkt zich tot de benadering van licht als een golf, omdat dit ons helpt bij het vergelijken van de eigenschappen van licht met die van geluid.
Licht wordt, net als geluid, veroorzaakt door een bron: een lichtbron. De lichtbron zendt dus een elektromagnetische golf uit. Dit is een golf bestaande uit een zich voortplantend, van richting wisselend elektrisch veld (E), loodrecht op een zich voortplantend wisselend magnetisch veld (M). De combinatie van ‘zich voortplanten’ met de ‘wisselende velden’ resulteert in de golfbeweging. Zo begint in onderstaande afbeelding het elektrisch veld bijvoorbeeld in de negatieve richting, en als de golf zich verder voortplant wisselt hij op een gegeven moment van de negatieve naar de positieve richting. Wanneer deze golf onze ogen bereikt nemen we het waar als ‘licht’. De golflengte bepaalt de kleur van het licht.

Overeenkomsten en verschillen

Zoals hierboven uitgelegd gedragen licht en geluid zich dus beide als een golf. Een belangrijk verschil is wel dat licht een transversale golf is (oscillatierichting loodrecht op voortplantingsrichting) en geluid een longitudinale golf (oscillatie zelfde richting als voortplanting).

Licht en geluid gaan beide van bron, door medium met een zekere snelheid, naar de zintuigen. In tegenstelling tot geluid heeft licht geen medium nodig om zich te kunnen voortplanten, licht kan zich dus ook door vacuüm voortplanten. Geluid heeft een medium nodig om de serie drukverschillen te kunnen creëren.

Het medium waarin licht of geluid zich voortplant kan ook een ander medium zijn dan lucht, water bijvoorbeeld. De snelheid waarmee het licht of geluid zich voortplant hangt af van het betreffende medium en wordt beschreven door de licht- of geluidbrekingsindex (deze zijn niet gelijk aan elkaar!). De brekingsindex van licht wordt gegeven door de verhouding van de lichtsnelheid in vacuüm met de lichtsnelheid in het medium (n = c / v). Omdat geluid zich niet kan voortplanten in vacuüm wordt de brekingsindex van geluid gegeven door de verhouding van de geluidssnelheid in lucht met de geluidssnelheid in het medium (n = v_lucht / v). De lichtsnelheid in lucht is nagenoeg gelijk aan de lichtsnelheid in vacuüm. In de tabel hieronder worden de licht- en geluidssnelheid met elkaar vergeleken in lucht en in water. Licht gaat dus langzamer in water dan in lucht terwijl geluid in water juist veel sneller gaat dan in lucht.


Bij de overgang van verschillende brekingsindices (bijvoorbeeld bij het oppervlak van water) zal licht of geluid, afhankelijk van de invalshoek, geheel of gedeeltelijk gereflecteerd worden óf zich volledig voortplanten in het tweede medium. In het laatste geval zal de golf veranderen van richting (tenzij de golf loodrecht invalt).