موج مکانیکی

مقدمه

حرکت موجی تقریبا در هر شاخه از علم فیزیک ظاهر می‌‌شود. به عنوان مثال ، امواج آب نمونه بسیار آشنایی از امواج است که همه با آن آشنا هستند. امواج انواع مختلف دارند، که از آنها می‌‌توان به امواج صوتی ، امواج رادیویی ، امواج نورانی و یا سایر امواج الکترومغناطیسی اشاره کرد. امواج و در حالت کلی حرکت موجی به اندازه‌ای اهمیت دارند که یکی از فرمول‌بندیهای مکانیک اتمها و ذرات ریز اتمی ‌، مکانیک موجی نام دارد.

اما در میان امواج مختلف ، امواج مکانیکی ، گروه بزرگی امواج هستند که برای انتقال و حرکت آنها نیاز به یک محیط کشسان و تغییر شکل‌پذیر داریم. در واقع حرکت موجی را می‌‌توان به صورت آشفتگی‌هایی که در محیط مورد نظر حرکت می‌‌کنند، ملاحظه کرد. به عنوان مثال ، مشاهده اشیا کوچک شناوری مانند یک قطعه چوب روی موجهای آب نشان می‌‌دهد که حرکت واقعی قسمتهای مختلف آب ، جابجایی اندکی است که به بالا و پائین و به عقب و جلو صورت می‌‌گیرد.

حرکت موجی یک وسیله انتقال انرژی است. با حرکت موجی می‌‌توان انرژی را تا مسافتهای بسیار زیادی پیش فرستاد. انرژی در امواج همان انرژی جنبشی و پتانسیل ماده است، ولی انتقال انرژی در اثر دست به دست شدن موج از قسمتی از ماده به قسمت دیگر آن صورت می‌‌گیرد، نه در نتیجه حرکت بلندبرد خود ماده. امواج مکانیکی با انتقال انرژی توسط انتشار آشفتگی در ماده مشخص می‌‌شوند. بدون آنکه با حرکت کلی خود ماده همراه باشند.

مقایسه امواج مکانیکی و امواج الکترومغناطیسی

برای انتقال امواج مکانیکی ، محیط مادی لازم است، اما برای عبور امواج الکترومغناطیسی به چنین محیطی نیاز نیست. به عنوان مثال ، نور ستارگان می‌‌تواند آزادانه از فضای تقریبا تهی عبور کند. تمام محیط‌های مادی مانند هوا ، آب و فولاد ، دارای خواص کشسانی هستند و لذا می‌‌توانند امواج مکانیکی را انتقال دهند. خاصیت کشسانی محیط باعث می‌‌شود که هر جزئی از محیط که از وضعیت تعادلش جابجا شده باشد، نیروهای بازگرداننده ایجاد شوند و اینرسی تعیین می‌‌کند که واکنش این جز جابجا شده در برابر نیروهای بازگرداننده چگونه باشد. این دو عامل یعنی خاصیت اینرسی و کشسانی محیط سرعت موج را تعیین می‌‌کنند.

طبقه‌بندی امواج مکانیکی

انواع مختلف امواج مکانیکی را می‌‌توان با در نظر گرفتن چگونگی رابطه بین حرکات ذره‌های ماده با راستای انتشار خود امواج ، از هم تمیز داد. اگر حرکت ذرات ماده حامل موج ، بر راستای انتشار موج عمود باشد، در این صورت موج حاصل را موج عرضی می‌‌گویند. مثلا اگر انتهای یک ریسمان قائم تحت کشش را به عقب و جلو به نوسان درآوریم، یک موج عرضی در طول آن به راه می‌‌افتد. این آشفتگی در طول ریسمان پیش می‌‌رود، ولی راستای ارتعاش ذرات ریسمان بر امتداد انتشار آشفتگی عمود است.

از طرف دیگر ، هرگاه جابجایی ذرات حامل موج مکانیکی در راستای انتشار انجام گیرد، یک موج طولی خواهیم داشت. مثلا هرگاه انتهای یک فنر قائم کشیده شده را به طرف بالا و پائین به نوسان درآوریم، یک موج طولی در طول فنر به راه می‌‌افتد و حلقه‌های فنر در راستایی که این آشفتگی در طول فنر طی می‌‌کند، به طرف بالا و پائین ارتعاش خواهند کرد. موج صوتی نمونه‌ای از امواج مکانیکی طولی است.

البته لازم به ذکر است که بعضی از امواج نه طولی هستند و نه عرضی. مثلا در مورد امواج روی سطح آب ، ذرات آب هم به طرف بالا و هم به طرف پایین و هم به جلو و عقب حرکت می‌‌کنند و ضمن حرکت امواج آب ، این ذرات مسیرهای بیضی شکل را می‌‌پیمایند.

طبقه‌بندی امواج براساس شکل جبهه موج

جبهه موج به عنوان سطحی تعریف می‌‌شود که در یک لحظه معین تمام نقاط واقع بر آن سطح دارای آشفتگی مشابه هستند. با توجه به نوع موج ، جبهه موج می‌‌تواند اشکال مختلف داشته باشد. به عنوان مثال ، اگر جبهه موج به صورت صفحات تخت موازی عمود بر راستای انتشار موج باشد، موج را موج تخت می‌‌گویند. در صورتی که در مورد امواج کروی جبهه‌های موج به صورت کره‌های هم مرکز خواهند بود. با دور شدن از منبع موج ، انحنای جبهه‌های موج کروی کمتر می‌‌شود. بطوری که در نقاط خیلی دورتر از چشمه در ناحیه محدودی از فضا آنها را می‌‌توان به صورت موج تخت در نظر گرفت.

مشخصات موج مکانیکی

هر موج مکانیکی با دامنه ، دوره تناوب و فاز آن کاملا مشخص می‌‌شود. این کمیتها در رابطه‌ای که به معادله موج معروف است، به هم مربوط می‌‌شوند. معادله موج وضعیت هر نقطه از محیط را در هر لحظه دلخواه t نشان می‌‌دهد. دامنه موج به عنوان ماکزیمم مقدار تغییر مکان تعریف می‌‌شود و دوره تناوب ، زمان لازم برای یک حرکت نوسانی کامل است.

اگر فاصله بین دو نقطه مجاور از موج را که هم فاز هستند، به عنوان طول موج تعریف کنیم، زمان لازم برای پیمودن یک طول موج را دوره تناوب می‌‌گویند. معمولا معادله موج را برحسب عدد موج و فرکانس زاویه‌ای نیز بیان می‌‌کنند. عدد موج به صورت 2п برابر عکس طول موج (2п/λ) و فرکانس زاویه‌ای به صورت 2п برابر عکس دوره تناوب (2п/T) تعریف می‌‌شود.