حرکت موجی(016)

بسم الله الرحمن الرحیم

حرکت موجی

حرکتهای موجی تقریبا در همه شاخه های فیزیک ظاهر می شوند.امواج سطح آب را زیاد دیده اید.امواج صوت و امواج نور،برای اینکه بتوانیم محیط اطراف را حس کنیم ضروری اند،چون که در بدن ما گیرنده هایی نظیر چشم و گوش وجود دارند که می توانند این امواج را آشکار کنند.

در این مجال به توصیف کلامی امواج می پردازیم،از توصیف ریاضیاتی آن به دلیل خارج بودن از حوصله پرهیز می کنیم.

 

امواج آب هزاران کیلومتر در اقیانوس حرکت می کنند،اما ذرات آب چنین مسیری را نمی پیمایند.

هنگامی که دوستتان را صدا می کنید،امواج صوتی این سر تا آن سر اتاق را طی می کننند تا به گوش او برسند،اما مولکولهای هوا این مسافت را نمی پیمایند.می دانیم که با حرکت ذرات انرژی و تکانه از جایی به جای دیگر منتقل می شود،حرکت موجی راه دیگری برای انتقال انرژی و تکانه است.

البته خود ذرات مادی مسیر انتقال انرژی و تکانه را نمی پیمایند.

موج آب و موج صوت نمونه هایی از امواج مکانیکی هستند.اینها امواجی هستند که در محیط های کشسان یا تغییر شکل پذیر حرکت می کنند.

تولید این امواج وقتی شروع می شود که بخشی از محیط از وضعیت عادی اش جابه جا شود و به دلیل کشسانی بودن محیط ،این اغتشاش در محیط منتشر می شود.

در مقیاس میکروسکوپیک،خواص مکانیکی ای از نوع نیروی بین اتم هاست که موجب انتشار امواج مکانیکی می شود.

هنگامی که موج به یکی از ذرات محیط می رسدآآنرا به حرکت در می آورد،و در نتیجه به این ذره انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل می دهد.

با حرکت موجی نه تنها انرژی بلکه اطلاعاتی  درباره ماهیت چشمه موج هم می شود تا مسافتهای قابل ملاحظه ای انتقال داد.

ذرات محیط در اثر عبور موج،فقط کمی از محل اولیه شان جابجا می شوند.و در مجموع هیچ تغییر مکانی خالصی در جهت حرکت موج ندارند.

برای نمونه اجسام کوچک و شناور به روی سطح آب را (مانند برگ یا چوب پنبه)در نظر بگیرید.

حرکت آب حین عبور موج،عمدتا به سمت بالا و پایین و شاید کمی هم به سمت جلو و عقب است.

پس از رد شدن موج،این اجسام تقریبا در همان جایی اند که قبل از رسیدن موج بوده اند.این را لئوناردو داوینچی در قرن پانزدهم دریافته بود.او درباره امواج آب نوشته است:معمولا چنین است که امواج از محل تولیدشان دور می شوند،اما خود آب نه – درست مثل موجی که باد در مزارع ایجاد می کند.موج در مزارع منتشر می شود،اما ساقه های گندم از جایشان تکان نمی خورند.

 

انواع موج

 

یکی از راههای طبقه بندی امواج مکانیکی،در نظر گرفتن جهت حرکت ذرات ماده نسبت به جهت انتشار موج است.

اگر حرکت ذرات بر جهت انتشار موج عمود باشد،موج را عرضی می نامیم.

مثلا اگر یک تار کشیده را با تکان دادن یک سر آن،به نوسان در بیاوریم،یک موج عرضی در راستای تار منتشر می شود

می بینیم که آشفتگی در طول تار جلو می رود،اما ارتعاش ذرات تار در راستای بالا و پایین است،یعنی بر جهت انتشار آشفتگی عمود است.

امواج نور هم هرچند مکانیکی نیستند عرضی اند.

اما اگر حرکت ذرات محیط انتشار به جلو و عقب و در راستای انتشار موج باشد،موج را طولی می نامند.

مثلا اگر یک سر فنر کشیده ای را به پس و پیش حرکت دهیم،موج طولی در راستای فنر به حرکت در می آید.

امواج صوت در گازها طولی اند.

برخی از امواج نه کاملا طولی اند و نه کاملا عرضی.مثلا در اثر امواج سطح آب،ذرات آب هم بالا و هم پایین می روند و هم عقب و جلو و مسیرشان بیضی شکل است.

امواج را می توانیم بر حسب ابعاد محیطی که در آن انرژی منتشر می کنند،به امواج یک دو و سه بعدی تقسیم کنیم.

امواج تار و فنر یک بعدی هستند.

امواج آب دو بعدی هستند.

امواج صوت و امواج نور که بطور شعاعی از چشمهء کوچک انتشار می یابند سه بعدی اند.

امواج بر حسب چگونگی حرکت ذرات محیط بر حسب زمان هم طبقه بندی می شوند.مثلا اگر فقط یک بار سر یک تار کشیده را بالا و پایین ببریم یک تپ به وجود می آید،که در تار منتشر می شود. همه ذرات تار،تا زمانی که تپ به آنها نرسیده است ساکن اند،هنگامی که تپ به آنها می رسد به مدت کوتاهی حرکت می کنند و بعد از گذشتن تپ دوباره ساکن می شوند.

اگر سر تار را مرتبا بالا و پایین ببریم،یک قطار موج به وجود می آید که در طول تار منتشر می شود.اگر حرکت تناوبی باشد،یک قطار تناوبی موج بوجود می آید،که در آن همه ذرات تار تناوبی است.ساده ترین نمونه امواج تناوبی موج هماهنگ است،که در آن حرکت ذرات هماهنگ ساده است.

تصور کنید سنگی به دریاچه آرامی بیفتد،از جایی که سنگ در آب افتاده است موجهایی دایره ای به طرف بیرون حرکت می کنند،روی هریک از این دایره ها،حرکت همه نقاط یکسان است.مجموعه این نقاط را که حرکت یکسانی دارند،یک جبهه موج می نامند.اگر چگالی محیط یکنواخت باشدجهت حرکت موج بر جبهه موج عمود است.خطوط عمود بر جبهه های موج را،که جهت انتشار موج را مشخص میکند پرتو می نامند.

جبهه های موج همه به یک شکل نیستند،یک چشمه نقطه ای در سطح آب امواجی دو بعدی تولید می کند که جبهه هایی دایره ای دارند و پرتوهایشان از نقطه آشفتگی  در جهت شعاعی به طرف خارج اند.

اما چوب درازی که بصورت افقی در آب بیفتد آشفتگی هایی تولید می کن که بصورت خط راست حرکت می کنند.و پرتو ها هم به شکل خطوط موازی اند.مشابه سه بعدی چنین موجی را که در آن همه آشفتگی ها در یک جهت منتشر می شوند،موج تخت می نامند.

در هر لحظه،شرایط در همم نقاط در صفحه عمود بر جهت انتشار موج یکسان است.جبهه های موج صفحه اند و پرتو ها هم خطوط راست موازی با هم اند.مشابه سه بعدی امواج دایره ای امواج کروی اند.در این مورد آشفتگی به طرف خارج یک چشمه نقطه ای موج،و در همه جهات منتشر می شود،جبهه های موج کره اندو پرتوها خطوطی شعاعی اند که از چشمه نقطه ای به طرف خارج و در همه جهات رسم می شوند.در نقاط بسیار دور از چشمه،انحنای جبهه های کروی موج بسیار کم می شود و در یک گستره محدود،می شود جبهه های موج را تخت در نظر گرفت.روشن است که جز اینها هم اشکال متعدد دیگری برای جبهه موج امکان دارد.

از کتاب فیزیک هالیدی جلد دوم..ص 130 ترجمه پاشائی راد.