موج چیست؟

بیشتر اطلاعات از جهان اطراف به صورت امواج به ما می‌رسد. با حرکت موج است که صدا به گوش، نور به چشم و امواج الکترومغناطیسی به رادیو و تلویزیون، تصویر‌های پزشکی به صفحه‌ی آشکارساز و مکان و تندی طعمه به خفاش و دلفین می‌رسد.

این‌ها تنها چند مورد از کاربرد و نقش موج در زندگی انسان و بقای طبیعت است. اما اینکه موج چیست، چه ویژگی‌های دارد، امواج چند دسته‌اند و کاربردهای آنها در طبیعت و زندگی روزمره چیست را در این مقاله بررسی خواهیم کرد.

موج چیست؟

موج یک آشفتگی در فضا یا محیط ا‌ست، که از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌شود. در واقع موج آشفتگی‌ای‌ست که از مکانی که در آن ایجاد شده، حرکت می‌کند و پی‌درپی منتشر می‌شود. این آشفتگی می‌تواند به شکل نوسان ذرات محیط یا نوسان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی باشد.

نور و صدا هر دو ارتعاش‌هایی در فضا هستند که به صورت موج منتشر می‌شوند، اما این دو موج با هم بسیار متفاوتند. برای بررسی این تفاوت، امواج را به دو دسته تقسیم می‌کنند. امواج مکانیکی و امواج الکترومغناطیسی. در این مقاله به بررسی امواج مکانیکی خواهیم پرداخت.امواج مکانیکی

پیش از تعریف امواج مکانیکی لازم است با محیط کشسان آشنا شویم. آشناترین محیط کشسان، کِش است. اگر کِشی را بکشیم، پس از رها کردن دوباره به حالت اول خود باز می‌گردد. فنری را در نظر بگیرید که آن را می‌کشیم. نیروی کشسانی بین حلقه‌های مجاور در فنر می‌خواهد فنر را به حال اول باز گرداند.

سنگی را در آب بیاندازید، روی سطح آب آشفته می‌شود اما بعد از چند لحظه آب دوباره به حالت اول خود بازمی‌گردد. پس محیط کشسان محیطی است که وقتی در آن تغییر شکلی ایجاد شود، نیروهای کشسان ایجاد شده بین اجزای محیط تمایل دارند محیط را به حالت اول خود برگردانند. امواج مکانیکی برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند و در خلاء منتشر نمی‌شوند.

با این تعریف می‌توان گفت، اگر تغییر شکلی یا آشفتگی‌ای در جزئی از محیط کشسان ایجاد کنیم، به علت نیروی کشسانی بین اجزای محیط، آن تغییر شکل جزء به جزء در محیط منتشر می‌شود. به این ترتیب آنچه که آن را موج مکانیکی می‌نامیم در محیط ایجاد و منتشر می‌شود. به تغییر شکل ایجاد شده در محیط تَپ و انتقال تپ در محیط را انتشار می‌گویند.

ساده‌ترین حالت ارتعاش یا آشفتگی، حالتی است که اجزای محیط به شکل دوره‌ای نوسان می‌کنند و دارای حرکت هماهنگ ساده هستند. اگر یک جزء از محیط کشسان را که در حال تعادل است با حرکت هماهنگ ساده به نوسان درآوریم. با نوسان آن جزء، تپ‌های پی‌درپی در محیط تولید و به دنبال هم منتشر می‌شوند. چنین امواجی را امواج سینوسی می‌گویند که چشمه‌ی این نوسان‌ها، نوسانگری است که حرکت هماهنگ ساده دارد و با بسامد و دامنه مشخصی ارتعاش می‌کند. ^Wave

امواج طولی و عرضی

زمانی که نوسانگری با بسامد مشخص در محیطی کشسان نوسان می‌کند، ذره‌های مجاور خود را همان بسامد به نوسان در‌می‌آورد. با انتقال انرژی همه‌ی ذرات محیط با این بسامد به نوسان در می‌آیند. راستای حرکت ذره‌های محیط ممکن است بر راستای انتشار موج عمود یا با آن موازی باشد. بر این اساس امواج به دو دسته موج عرضی و موج طولی تقسیم می‌شوند.

موج عرضی

یک سر فنری به تکیه‌گاهی محکم کنید و سر دیگر آن را بالا و پایین ببرید و یا به چپ و راست حرکت دهید، مشاهده می‌کنید یک موج پیوسته سینوسی در طول فنر حرکت می‌کند. اگر به حرکت یک حلقه از فنر دقت کنید که به شکل هماهنگ ساده به بالا و پایین نوسان می‌کند، درمی‌یابید که جابه‌جایی هر جزء فنر بر حرکت موج عمود است. پس اگر راستای نوسان ذره‌های محیط، عمود بر راستای انتشار موج باشد، موج را عرضی می‌نامند.

موج طولی

اگر این بار سر آزاد فنر را به جلو و عقب هل دهید، یک تپ در طول فنر به راه می‌افتد. اگر این کار را به صورت پیاپی تکرار کنید موجی در فنر انتشار می‌یابد. اگر به حرکت یک بخش از فنر دقت کنید مشاهده می‌کنید که جابه‌جایی هر بخش از فنر در راستای حرکت موجی است که در طول فنر منتشر می‌شود. پس اگر راستای نوسان ذره‌های محیط، موازی با راستای انتشار موج باشد، موج را طولی می‌نامند.

وقتی موجی طولی در فنر منتشر می‌شود، حلقه‌های فنر به طور متناوب به هم نزدیک (متراکم) و یا از هم دور(منبسط) می‌شوند. موج طولی را با همین تراکم‌ها و انبساط‌های پی‌درپی اجزای محیط نیز می‌توان تشخیص داد.

انتقال انرژی توسط موج

سنگی را روی سطح آب حوضی بیاندازید؛ روی سطح آب امواج دایره‌ای شکلی ایجاد می‌شود. شاید فکر کنید امواج آب را جابه‌جا می‌کنند. اما می‌بینید پس از مدتی سطح آب به حالت اولیه خود باز می‌گردد. سطح آب آشفته می‌شود ولی خود آب جایی نمی‌رود. برای درک بهتر برگی که روی آب افتاده است را نشان کنید و سنگ را همان‌جا بیاندازید. خواهید دید برگ با آب بالا و پایین می‌شود اما سرانجام دوباره به حال سکون خود بازمی‌گردد.

همچنین، دشتی با علف‌های بلند را به خاطر آورید که باد آنها حرکت می‌دهد و موجی در آنها پدید می‌آید. با حرکت موج علف‌ها در دشت حرکت نمی‌کنند و تنها سر جای خود نوسان می‌کنند. بعد از آرام گرفتن هوا تمام آنها به حال اولیه خود باز می‌گردند بدون آنکه در دشت دویده و جابه‌جا شده باشند.

بررسی این دو پدیده نشان می‌دهد که آنچه منتشر می‌شود آشفتگی است نه خود محیط. انتشار آشفتگی در محیط به واسطه‌ی انتقال انرژی بین اجزای محیط است. در واقع امواج پیش‌رونده طولی و عرضی، انرژی را در محیط منتقل و منتشر می‌کند نه اجزای محیط را.

پس هر موجی حامل انرژی است. وقتی در یک ریسمان یا فنر کشیده موجی عرضی را ایجاد می‌کنیم، در واقع، انرژی را برای ایجاد موج در ریسمان فراهم کرده‌ایم. انتشار موج، این انرژی به صورت انرژی جنبشی و پتانسیل در ریسمان انتقال می‌یابد.

انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل لازم برای حرکت و کشیدگی هر جزء ریسمان یا فنر را شخصی تأمین می‌کند که سر ریسمان یا فنر را دائماً به نوسان درمی‌آورد. ثابت می‌شود مقدار متوسط آهنگ انتقال انرژی(توان متوسط) در یک موج سینوسی برای همه انواع امواج مکانیکی با مربع دامنه و نیز مربع بسامد موج متناسب است.

مشخصه‌های موج

برای بررسی ویژگی‌های موج، برکه آبی را در نظر بگیرید که با انداختن یک سنگ توی آب، سطح آن را آشفته می‌کنید. روی سطح آب موج دایره‌ای ایجاد می‌شود که در تمام جهت‌ها منتشر می‌شود. حالا اگر بخواهیم این موج پی‌درپی در سطح آب ایجاد و منتشر شود می‌توانیم از یک گوی کوچک نوسانگر استفاده کنیم که سطح آب را مرتعش می‌کند.

بسامد موج

این گوی کوچک نوسانگری‌ست که با بالا و پایین شدن سریع، ذرات آب را به نوسان در می‌آورد. اگر گوی در در یک ثانیه ده بار بالا و پایین رود، ذرات آب هم در یک ثانیه، ده بار همزمان با نوسان گوی بالا و پایین می‌شوند. این ویژگی را که از طریق چشمه نوسان(گوی) به ذره‌های محیط(آب) منتقل می‌شود را فرکانس یا بسامد گویند.

تعداد نوسان‌های اجزای محیط در هر ثانیه را بسامد یا فرکانس می‌گویند. بسامد را با نماد f نمایش می‌دهند و یکای آن هرتز است. اگر چشمه نوسان به شکل هماهنگ ساده نوسان کند، اجزای محیط نیز حول وضع تعادل خود با همان بسامد چشمه نوسان می‌کنند.

دوره تناوب

گوی نوسانگر روی آب نوسان می‌کند و در مدت زمانی معینی یک بار بالا و پایین می‌شود. مدت زمانی که هر ذره محیط یک نوسان کامل انجام می‌دهد را دوره تناوب یا دوره می‌نامند. ذرات آب نیز دوره تناوب‌شان با دوره تناوب چشمه یکسان است. دوره تناوب را با نماد T نشان می‌دهند و یکای آن ثانیه است.

جبهه موج

موج دایره‌ای که روی سطح آب ایجاد می‌شود، آب را در بعضی نقاط برآمده و در برخی دیگر فرورفته می‌کند. به هریک از این برآمدگی‌ها و یا فرورفتگی‌ها جبهه موج می‌گویند.

قله (ستیغ) موج

به برآمدگی‌های ایجاد شده روی سطح آب قله یا ستیغ گفته می‌شود.

دره (پاستیغ) موج

به هریک از فرورفتگی‌های ایجاد شده روی سطح آب دره یا پاستیغ می‌گویند.

دامنه موج

قله‌ها و دره‌های ایجاد شده روی سطح آب، بیشترین جابه‌جایی ذرات عمود در راستای عمود بر سطح آب است. اگر سطح آرام آب را وضع تعادل در نظربگیریم. قله‌ها و دره‌ها بیشینه‌ی جابه‌جایی ذره‌های محیط(آب) از وضع تعادل خود هستند. این جابه‌جایی بیشینه از وضع تعادل را دامنه‌ موج می‌گویند. دامنه موج را با نماد A نشان می‌دهند.

طول موج

فاصله‌ی بین دو برآمدگی یا دو فرورفتگی روی سطح آب را طول موج می‌گویند. طول موج مسافتی است که موج در مدت یک دوره تناوب طی می‌کند و آن را با نماد λ نشان می‌دهند. یکای آن در SI متر است.

اگر جبهه موج در مدت زمان معین مسافتی را طی کند، تندی آن را می‌توان از نسبت مسافت طی‌شده به مدت زمان به دست آورد. همانطور که در تعریف طول موج گفتیم، موج مسافت λ در مدت زمان یک دوره تناوب یعنی T طی می‌کند، پس تندی موج از تقسیم طول موج بر دوره یا از حاصلضرب طول موج در فرکانس به دست می‌آید. تندی انتشارموج به جنس و ویژگی‌های محیط انتشار بستگی دارد.

فنر، طناب و آب هر یک محیط‌هایی است که موج می‌تواند در آن منتشر شود، اگر محیط انتشار موج از فنر به آب تغییر کند تندی انتشار موج نیز تغییر می‌کند.

استخری را در نظر بگیرید که در نقاط مختلف دارای عمق‌های متفاوت است. اگر موجی در قسمت عمیق استخر منتشر شود هنگام رسیدن به قسمت کم عمق استخر تندی آن تغییر می‌کند. پس عمق آب را می‌توان از ویژگی‌های محیط در نظر گرفت. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که در آب‌های کم‌عمق، تندی انتشار موج در قسمت عمیق از تندی انتشار موج در قسمت کم‌عمق بیشتر است.

تندی انتشار موج در یک فنر، تار یا ریسمان کشیده

همانطور که گفتیم تندی انتشار موج به جنس و ویژگی‌های محیط انتشار بستگی دارد. تندی انتشار موج در یک فنر، تار یا ریسمان کشیده به نیروی کشش و جرم واحد طول آن بستگی دارد. جرم واحد طول را چگالی خطی جرم می‌گویند. بنابراین می‌توان تندی انتشار موج در فنر، تار یا ریسمان از رابطه زیر به دست آورد:

در سازهای زهی مانند تار، گیتار، سه‌تار و یا کمانچه با شل و یا سفت کردن تار، سرعت انتشار موج عرضی در تار تغییر می‌کند. مثلن اگر تار را سفت کنیم نیروی کشش آن افزایش می‌یابد، چون تندی تار با جذر نیرو رابطه مستقیم دارد پس تندی موج در تار افزایش می‌یابد.برای درک بهتر ارتباط میان رابطه تندی با دیگر ویژگی‌های موج، حل نمونه سوال زیر را ببینید:

سخن پایانی درباره موج چیست

به طور کلی، امواج مکانیکی پدیده‌هایی هستند که در اثر ارتعاش یا جابجایی ذرات یک محیط مادی (جامد، مایع یا گاز) ایجاد می‌شوند و انرژی را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌کنند.

این امواج نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ما ایفا می‌کنند و در بسیاری از زمینه‌ها از جمله صدا، حمل و نقل، پزشکی، ارتباطات و … کاربرد دارند. در نهایت، می‌توان گفت که امواج مکانیکی جزء جدایی‌ناپذیر زندگی ما هستند و درک و شناخت آنها می‌تواند به ما در بهبود کیفیت زندگی و استفاده بهینه از این پدیده‌های طبیعی کمک کند.