زمان مطالعه: ۷ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مفهوم موج بپردازیم. همچنین انواع امواج که بر دو نوع امواج مکانیکی و امواج الکترومغناطیسی را بررسی خواهیم کرد. مفاهیم این مقاله برای دانش آموزان دوره اول متوسطه برای درس علوم تجربی نیز می‌تواند مفید باشد. در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.

موج

می‌توان گفت که مو‌ج (‌امواج‌) یکی از مهم‌ترین مفاهیم در علم فیزیک است. بیشترین اطلاعاتی که ما از جهان هستی و محیط پیرامون‌ خود دریافت می‌کنیم، از طریق انتشار موج‌ها صورت می‌گیرد. ارتباطات موبایل و ماهوراه، دیدن به واسطه نور، بررسی ساختار اتمی اجسام، شندین به واسطه صوت، استفاده از انرژی بالا و پایین رفتن آب دریا (موج) و … همه و همه پدیده‌هایی هستند که مو‌ج نقشی اساسی در آن‌ها دارد.

امواج از لحاظ محیط مورد نیاز جهت انتشار، بر دو نوع زیر تقسیم می‌شوند:

  1. امواج مکانیکی : نیاز به محیط مادی جهت انتشار
  2. امواج الکترومغناطیسی : امکان انتشار در هر دو محیط مادی و خلأ

ماهیت امواج الکترومغناطیسی و امواج مکانیکی با یکدیگر متفاوت است. اما رفتار و ویژگی‌های زیادی از آن‌ها مشابه با یکدیگر است. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های مشابه این دو موج، امکان انتقال انرژی از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر است. در ادامه این مقاله به بررسی ماهیت موج به ویژه امواج مکانیکی می‌پردازیم. به همین جهت قبل از ادامه مطالعه این مقاله، پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر که پیش‌نیازی برای مفهوم موج به حساب می‌آیند، داشته باشید.

از بین چهار مقاله فوق، آشنایی با مفهوم حرکت هماهنگ ساده بسیار مهم است. در صورتی که با آن آشنایی دارید، می‌توانید به ادامه مطالعه این مقاله بپردازید.

نوسان هماهنگ ساده
نوسان هماهنگ ساده

مفهوم موج

همان‌طور که می‌دانید، با ایجاد تغییرات طولی در یک فنر، یعنی کشیدن و یا فشرده کردن آن، بین هر دو حلقه مجاور یک فنر، نیروی کشسانی به وجود می‌آید که سعی دارد فنر را به حالت اولیه خود (یعنی ایستادن در نقطه تعادل) برگرداند. یعنی پس از کشیدن یا فشردن، فنر آنقدر حول نقطه تعادل خود نوسان می‌کند تا پس از تمام شدن (اتلاف) انرژی جنبشی و پتانسیل خود به واسطه اصطکاک و مقاومت نیرو هوا، از حرکت باز بایستد.

هرگاه در ناحیه‌ای از محیط کشسان، ارتعاش یا نوسانی به وجود آید، موجب پدید آمدن ارتعاش‌های پی در پی دیگری می‌شود که از محل شروع ارتعاش دور می‌شوند. این ارتعاش‌های پی در پی را موج می‌گویند. البته این تعریف مناسب موج مکانیکی است. امواج الکترومغناطیسی که از تقابل دو میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی که البته خود ناشی از حرکت بارهای الکتریکی هستند، پدید می‌آیند.

محیط کشسان

لازم به ذکر است که به فنر و یا هر محیط دیگری که مانند فنر عمل می‌کند، محیط کشسان گفته می‌شود. به عبارت دیگر، محیط کشسان محیطی است که وقتی تغییر شکلی در آن ایجاد می‌شود، نیروهای کشسان ایجاد شده بین اجزای محیط، تمایل و سعی دارند که محیط را به حالت اولیه خود برگردانند.

عموم جامدها، مایع‌ها و گازها محیطی کشسان هستند. به طور مثال اگر یک تیغه فنری را خم و سپس رها کینم، به حالت اولیه خود باز می‌گردد. یا اکر توپی را روی سطح آرام آب قرار دهیم و کمی آن را به درون آب فرو ببریم و سپس رها کنیم، به حالت اولیه خود (روی سطح آب) بر می‌گردد. همجنین اگر انتهای سُرنگی را ببندیم و پیستون آن به درون فشار دهیم، پیستون به حالت اولیه خود برمی‌گردد. در این سه مثال، تیغه فلزی (جامد)، آب (مایع) و هوای درون سرنگ (گاز) محیط‌هایی کشسان محسوب می‌شوند.

به عنوان یک فعالیت، دو سر یک طناب و یا کش سفتی را محکم همانند شکل زیر ببندید و یا نگه دارید. سپس تغییر شکلی در یک قسمت آن ایجاد کنید. مثلاً یک قسمت آن را به پایین بکشید و سپس رها کنید. با این کار رفتار یک محیط کشسان را و ایجاد یک موج را مشاهده می‌کنید.

تپ و انتشار آن

محیط کشسانی همانند فنر شکل زیر در نظر بگیرید. این فنر روی یک سطح افقی صاف و به حال سکون قرار دارد.

فنر - محیط کشسان

حال اگر مطابق با شکل زیر،‌ چند حلقه از فنر را به بالا و یا پایین کشیدهو تغییر شکلی در آن ایجاد و سپس رها کنیم (دست خود را در حالت تعادل – سطح صاف – قرار دهیم)، مشاهده خواهیم کرد که حلقه‌های جابه‌جا شده به جای اول خود برگشته و حلقه‌های مجاور ان از وضعیت تعادل خارج می‌شوند و همانند حلقه‌های ابتدایی رفتار می‌کنند.

انتشار تپ

این رفتار و تغییر شکل به صورت جز به جز در طول فنر منتقل شده و تا آخر در فنر به پیش می‌رود.

ایجاد موج

لازم به ذکر است که علت تغییر شکل و انتقال آن، وجود نیروی بازگرداننده بین حلقه‌های فنر است. با توجه به مثال فوق، هرگاه در یک محیط کشسان که در حالت تعادل است، تغییر شکل و یا آشفتگی ایجاد کنیم، به علت نیروی کشسانی بین اجزای محیط، آن تغییر شکل به صورت جز به جز در محیط منتقل می‌شود. به تغییر شکل ایجاد شده در محیط تپ و انتقال تپ در محیط را انتشار می‌گویند.

موج سینوسی

اگر یک جز از محیط کشسانی که در حال تعادل است را با حرکت هماهنگ ساده به نوسان در آوریم، با نوسان آن جز، تپ‌های متوالی در محیط تولید و به دنبال یکدیگر منتشر می‌شوند. چنین موجی به موج سینوسی موسوم است. به عبارت دیگر، چشمه موج سینوسی‌، نوسانگری است که می‌تواند با فرکانس (یا دوره تناوب) و دامنه ثابتی، حرکت هماهنگ ساده انجام دهد.

موج عرضی

یک بار دیگر به شکل‌های فوق دقت کنید. مشاهده می‌کنید که حرکت جز با بخش‌هایی از فنر که در هنگام عبور تپ (مو‌ج)، به بالا و پایین نوسان می‌کنند، عمود بر جهت انتشار یا حرکت مو‌ج است. هرگاه در یک مو‌ج، نوسان عمود بر جهت انتشار یا حرکت موج باشد، به آن موج عرضی می‌گویند.

موج عرضی
اگر نوسان هر جز از محیط هنگام عبور تپ (موج) بر جهت حرکت یا انتشار تپ (موج) عمود باشد، آن موج را موج عرضی می‌نامند.
موج عرضی
چگونگی ایجاد موج عرضی

یکی دیگر از مهم‌ترین مثال‌های مو‌ج عرضی، امواج الکترومغناطیسی هستند. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، نوسان یا تغییرات میدان الکتریکی و مغناطیسی هر دو بر یکدیگر عمود و بر راستا یا جهت انتشار نیز عمود هستند.

امواج الکترومغناطیسی عرضی
امواج الکترومغناطیسی به دلیل آنکه میدان الکتریکی (E) و میدان مغناطیسی (H) بر راستای انتشار (در شکل جهت x) عمود هستند، امواجی عرضی محسوب می‌شوند.

موج طولی

شاید در ذهنیت اکثر ما موج آن‌چیزی است که در مو‌ج عرضی بیان کردیم. اما امواج می‌توانند طولی نیز باشند. یعنی اگر سر ازاد یک فنر را به جای آنکه به طرف بالا و پایین یا چپ و راست حرکت دهیم، به صورت جلو و عقب حرکت دهیم، یک تپ در طول فنر ایجاد می‌شود که در طول فنر نیز حرکت می‌کند.

موج طولی
اگر نوسان هر جز از محیط هنگام عبور تپ (موج) هم راستا با حرکت یا انتشار تپ (موج) باشد، آن موج را موج طولی می‌نامند.
موج طولی
چگونگی ایجاد موج طولی

حال اگر دست خود را به صورت پیوسته به جلو و عقب حرکت دهید، یک موج طولی پیوسته در طول فنر ایجاد شده می‌شود. با توجه به شکل فوق، اگر به حرکت مو‌ج طولی دقت کنیم، مشاهده می‌شود که نوسان هر جز از فنر در راستای حرکت موج است. به همین دلیل است که به آن، مو‌ج طولی می‌گویند. یکی از مهم‌ترین مثال‌های امواج طولی، امواج مکانیکی صوتی هستند.

موج عرضی و طولی
مقایسه دو موج عرضی و طولی

موج های پیش رونده

امواج طولی و عرضی که در فوق معرفی کردیم به موج‌های پیش رونده نیز موسوم هستند. چرا که هر دو این مو‌ج‌ها، از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت کرده و انرژی را با منتقل می‌کنند. بدیهی است که انرژی منتقل شده در راستای حرکت یا انتشار مو‌ج است.

نکته بسیار مهم در این خصوص وجود دارد. توجه داشته باشید که  موج است که  از یک سر به سر دیگر حرکت می‌کند و نه ماده. در واقع مو‌ج در ماده (محیط – نظیر فنر) حرکت می‌کند و هر جز از محیط حرکت نکرده و منتقل نمی‌شود. برای درک بهتر این مطلب به دو تصویر متحرک از مو‌ج طولی و مو‌ج عرضی دقت کنید.

مقایسه دو موج طولی و عرضی
در امواج پیش رونده تنها مو‌ج (تپ‌ها) هستند که منتشر می‌شوند و نه اجزای محیط. به نقطه قرمز در مو‌ج عرضی و خط قرمز در مو‌ج طولی دقت کنید که تنها نوسان می‌کنند ولی منتشر نمی‌شوند.

معرفی دوره آموزشی امواج مکانیکی

امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا اگر علاقه‌مند به یادگیری کامل مبحث امواج مکانیکی هستید، نگاهی بر دوره آموزش ویدئویی امواج مکانیکی از کانال فیزیک پلاس بین جو داشته باشید. این آموزش با عناوین ذیل در مدت زمان ۲ ساعت و ۳۸ دقیقه جهت آموزش تمامی نکات درسی و کنکوری شما عزیزان تدوین شده است.

  • معرفی موج‌های مکانیکی و بررسی انتشار موج در ریسمان
  • سرعت انتشار مو‌ج ، طول مو‌ج و انواع مو‌ج
  • تابع مو‌ج
  • بررسی امواج در بیش از یک بعد ، انرژی مو‌ج و بازتاب مو‌ج
  • برهم ‌نهی امواج و مو‌ج ایستاده
  • بررسی مو‌ج ایستاده در تار مرتعش

مطالب این آموزش کمی فراتر از کتاب درسی بوده و لذا برای متقاضیان مرحله اول المپیاد فیزیک نیز مناسب است. لینک این آموزش در ذیل آمده است:

امواج مکانیکی

همچنین سایر مقالات وبلاگ بین جو در حوزه فیزیک نیز به شما پیشنهاد داده می‌شوند:

اثر فوتوالکتریک – فیزیک دوازدهم (۳)

حرکت با شتاب ثابت – فیزیک دوازدهم (۳)

نیروی اصطکاک – فیزیک دوازدهم (۳)

لیزر – فیزیک دوازدهم (۳)

همجوشی هسته ای – فیزیک دوازدهم (۳)

انرژی هسته ای – فیزیک دوازدهم (۳)