موج مکانیکی چیست؟ — به زبان ساده

در این مطلب قصد داریم تا در مورد مفهومی صحبت کنیم که در زندگی روزمره با آن مواجه هستید. با استفاده از این مفهوم، ویژگی‌های یک کهکشان تا کوچک‌ترین ذرات زیر اتمی قابل توصیف هستند. این مفهوم «موج» (Wave) است. موج‌ها به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند اما ما در این مطلب موج مکانیکی را توضیح می‌دهیم. هم‌چنین در مطلب امواج الکترومغناطیسی روابط مربوط به انتشار امواج به صورت کمی ارائه شده‌اند که مطالعه آن‌ها خالی از لطف نیست.

موج چیست؟

به هر آشفتگی که در یک محیط یا در خلاء منتشر شود، موج گفته می‌شود. برای نمونه احتمالا تجربه انداختن سنگ در محلی حاوی آب را داشته‌اید. همان‌طور که مشاهده می‌کنید با بر هم خوردن نظم اولیه‌ی آب، تغییراتی به صورت دایره‌ای منتشر می‌شود. این تغییرات همان موج است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم

اینجا کلیک کنید

هر موج دارای دو مشخصه اصلیِ فرکانس و طول موج است. طول موج نشان دهنده فاصله دو نقطه مشابه از موج و فرکانس، نشان دهنده میزان تکرار موج در زمان است. البته عددی تحت عنوان دامنه را نیز می‌توان به یک موج نسبت داد. این عدد نشان دهنده بیشترین یا کمترین مقدار موج است. در شکل زیر طول موج و دامنه یک موج نشان داده شده است.

در بالا موجی مکانیکی مثال زده شد. اما جالب است بدانید که امواج به دسته‌های گوناگونی تقسیم می‌شوند ولی مفهوم کلی آن‌ها مشابه هم هستند. در حالت کلی امواج به دو دسته‌ امواج مکانیکی و امواج الکترومغناطیسی تقسیم‌بندی می‌شوند.

امواج مکانیکی در محیطی مادی منتشر شده و باعث تغییر شکل ماده می‌شود. برای نمونه امواج صوتی از برخورد مولکول‌های هوا با یکدیگر ایجاد می‌شود. این مولکول‌ها هم‌چون توپ‌هایی الاستیک به یکدیگر برخورد کرده و مرتعش می‌شوند. نهایتا انقباض و انبساطی در هوا شکل گرفته که با زمان منتقل می‌شود.

امواج الکترومغناطیسی برای انتشار نیاز به محیط مادی ندارند. به طور دقیق‌تر این امواج در نتیجه نواسانات میدان الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می‌شوند. این نوسانات در نتیجه حرکت ذرات الکتریکی باردار ایجاد می‌شود. امواج الکترومغناطیسی بر حسب طول موجشان، طیفی از امواج رادیویی تا پرتو گاما را شامل می‌شود.

علاوه بر دو دسته‌بندی اصلی ذکر شده در بالا، امواج گرانشی نیز نمونه‌ای از امواج هستند که در نتیجه نوسان میدان فضا-زمان ایجاد می‌شود. هم‌چنین شکل ذرات در مکانیک کوانتوم نیز با استفاده از معادله موج توضیح داده می‌شود. در ادامه موج‌های مکانیکی را به تفصیل توضیح خواهیم داد.

امواج مکانیکی

همان‌طور که در بالا نیز بیان شد، موج مکانیکی پدیده‌ای است که در نتیجه نوسان جرم بوجود می‌آید. در نتیجه این نوسان، جرم و حتی انرژی می‌تواند منتقل شود. در ادامه خواهیم دید که ذرات ماده در انواع مختلف امواج به چه شکل نوسان می‌کنند. در ادامه انواع موج‌های مکانیکی را به همراه انیمیشن معرفی خواهیم کرد.

امواج طولی

در یک موج طولی، حرکت ذرات جرم، هم‌ راستا با راستای انتشار موج است. به طور دقیق‌تر می‌توان گفت در این حالت ذرات ماده می‌توانند در جهت و یا در خلاف جهت انتشار موج، حرکت کنند. انیمیشن زیر نحوه انتشار ذرات در یک موج طولی را نشان می‌دهد.

فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه

اینجا کلیک کنید

موج اولیه در زلزله (P-Wave)، نمونه‌ای از موج طولی محسوب می‌شود. این نوع از موج در محیط‌های الاستیک ایجاد شده و نسبت به دیگر امواج مکانیکی دارای سرعت بیشتری است؛ از این رو اولین نشانه‌های رخ دادن زلزله در قالب چنین موجی ظاهر می‌شود. شکل زیر شماتیک موج p را در زمین نشان می‌دهد.

امواج عرضی

برخلاف امواج طولی، در امواج عرضی راستای حرکت ذرات ماده، عمود بر راستای انتشار موج است. در هنگام وقوع زلزله موج عرضی چندین ثانیه پس از موج طولی احساس می‌شود. همان‌طور که در انیمیشن زیر نیز نشان داده شده، ذرات ماده در راستای انتشار موج (که در این انیمیشن افقی است) جابجایی ندارند.

اگر یک سمت از طنابی را در یک نقطه ثابت کنید و سمت دیگر آن را نوسان دهید، موج ایجاد شده در آن نمونه‌ای از موج عرضی است؛ این در حالی است که برای نمونه موج صوتی، موجی طولی محسوب می‌شود.

امواج ترکیبی

احتمالا تاکنون متوجه شده‌اید که طولی یا عرضی بودن یک موج وابسته به حرکت نسبی ذرات ماده نسبت به مسیر انتشار موج است. به طور دقیق‌تر در امواج طولی، حرکت ذرات و موج در یک راستا ولی در امواج عرضی عمود بر هم بودند. حالاتی نیز وجود دارد که در هر دوره تناوب از نوسان موج، ذرات ماده حرکتی افقی و عمودی را تجربه می‌کنند. برای نمونه امواج سطح آب را که در ادامه آمده در نظر بگیرید.

فیلم آموزش فیزیک پایه ۳

اینجا کلیک کنید

در انیمیشن فوق می‌بینید که هر ذره از آب، در یک سیکل از نوسان، مسیری دایره‌ای را طی می‌کند. بنابراین ذره‌ی مذکور هم در راستای موج و هم عمود بر آن حرکت کرده است. جالب است بدانید که هرچه بیشتر به سمت عمق آب حرکت می‌کنیم شعاع مسیر دایره‌ای طی شده توسط ذرات نیز کاهش می‌یابد.

امواج ریلی

نوعی دیگر از امواج ترکیبی وجود دارند که تحت عنوان موج ریلی (Rayleigh Wave) شناخته می‌شوند. این نوع از امواج در ابتدا در مواد جامد مشاهده شد. در این موج، ذرات ماده در مسیری بیضی شکل به حرکت در می‌آیند. در موج ریلی، جهت انتشار در راستای قطر کوچک بیضی است.

موج ریلی در یک محیط الاستیک، نسبت به امواج سطحی ایجاد شده در آب یک تفاوت اساسی دارد. در موج سطحی آب، تمامی ذرات آب، به صورت ساعتگرد یا پادساعتگرد حرکت می‌کنند. این در حالی است که در موج ریلی، جهت چرخش ذرات در سطح و در عمق با هم متفاوت هستند. انیمیشن زیر حرکت ذرات سیال را در موجی ریلی نشان می‌دهد. همان‌طور که می‌بینید ذره قرار گرفته در سطح، به‌ صورت پادساعتگرد و ذره قرار گرفته در عمق به‌ صورت ساعتگرد حرکت می‌کند.

جالب است بدانید که بیشترین آسیب در زلزله توسط این نوع از موج‌ها ایجاد می‌شود.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مکانیک و فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• امواج الکترومغناطیسی - از صفر تا صد
• سرعت صوت -- از صفر تا صد