شرح الموجات الطولية والمستعرضة والفرق بينهما
الموجة تعني اضطرابا ينتقل بالطاقة من مكان إلى آخر دون نقل أي مادة، ومن أمثلة هذه العملية معروفة ضرب الحجر على سطح الماء وتكوين تموجات تنتقل على شكل دوائر متراصة في المركز وزيادة نصف القطر حتى تصل إلى حافة البركة، وهناك أنواع مختلفة من الموجات، وتتضمن موجتين طولية وعرضية، وهناك فروق واضحة بينهما كما يلي:
- الموجة الطولية: تحدث فيها حركة الجسيمات أو الأمواج في اتجاه واحد، حيث تتحرك الجسيمات من اليسار إلى اليمين وتتأثر الجسيمات الأخرى بالاهتزاز
- الموجة المستعرضة: في هذه الحالة، يتحرك الوسيط أو القناة بشكل عمودي على اتجاه الموجة، وفي الوقت نفسه يتحرك الجسم إما لأعلى أو لأسفل، بينما تتحرك الموجات أفقيا
خصائص الموجات الطولية
يُعرف عن حركة الطاقة بدايةً من نقطة وصولًا إلى النقطة الأخرى بالموجات بأنها اضطراب ينشر الطاقة من خلال وسيط، حيث تميل الجسيمات إلى أن تتحرك مع عبور الموجة أو الأمواج خلال أي مكان، وبالرغم من هذا لا يتوافر حركة صافية للجسيم، وذلك يعني أنه عند مرور الموجة، يرجع الجسيم إلى مكانه الرئيسي، وكما تم ذكره أن الموجات نوعين وهما الطولية والمستعرضة، فإن لكلًا منهما خصائصه، وفي ما يلي بيانها:
في الموجات الطولية بعض الخصائص ومنها:
- تقوم الجسيمات بنقل الطاقة من نقطة إلى أخرى عن طريق الاهتزاز في الخط المخصص لانتشار الموجات.
- تتميز حركة الجسيمات في الموجات الطولية بأنها في الغالب متوازية مع حركة الطاقة.
- تتم عملية إزاحة الجسيمات بحركة متوازية مع اتجاه الموجة المتنقلة.
- ومن الأمثلة على الموجات الطولية هو الضغط المتحرك على طول الخط الطفيف، حيث يمكن عمل موجة طولية من خلال سحب ودفع الخيط الخشن باتجاه أفقي، كما أن الموجات الطولية تنتقل على هيئة ضغط وخلخلة، بالإضافة إلى أن أحسن مثال على الموجات الطولية هي الموجات الصوتية.
خصائص الموجات المستعرضة
في الموجات المستعرضة تكون إزاحة الجسيم في اتجاه عمودي على اتجاه انتشار الموجة، كما أن هذه الموجات تتحرك في الغالب بطريقة جانبية حينما تتحرك الجسيمات لأسفل ولأعلى، ومن الخصائص التي يمكن ذكرها على الموجات المستعرضة التالي:
- الخصائص المتمثلة في الكثافة والضغط تبقىثابتة في الموقع عندما يحدث انتشار للموجات المستعرضة.
- انتشار الموجات المستعرضة يكون ممكن فقط في حالة المواد الصلبة، وليس عن طريق الغازات أو السوائل، كما أن الموجات المستعرضة يمكنها فقط أن تظهر ظاهرة الاستقطاب، حيث يتم اهتزاز الجسيمات في الوسط في ذات المكان، وذلك ما يعرف بمستوى الاستقطاب أو الاهتزاز.
- يتوقف انتشار الموجات المستعرضة على صلابة الوسط.
- تتم التشكيلات النموذجية للقيعان والقمم في الموجات المستعرضة بشكل دوري.
مسائل على الموجات الطولية والمستعرضة
توجد مجموعة من المسائل المتعلقة بالموجات الطولية والمستعرضة، والتي تساعد في فهم خصائصهما بشكل أفضل. وفيما يلي بعض هذه المسائل وحلولها:
المسألة
خلال حفل موسيقي محلي، يتم تجهيز مكبر صوت من أجل إنتاج أصوات رئيسية ذو نبرة منخفضة مع نطاق تردد من حوالي 20 هرتز وحتى 200 هرتز، والتي تسطيع تشكيلها على هيئة موجات جيبية، كما أنه في نموذج أكثر بساطة، يسهُل نمذجة الموجات الصوتية التي تقوم السماعة بإنتاجها على أنها أنبوب أسطواني مغلق من طرف واحد ينتقل خلال الهواء بسرعة v = 331ms + 0.6ms (T)، إذ أن (T) تعتبر درجة الحرارة بالدرجة المئوية.
الحل
الإجابة الصحيحة أنها موجات طولية:
الموجات الصوتية هي موجات طولية تنتشر في الوسط بالضغط والخلخلة، ولذلك تسمى الموجات الطولية، وتتأرجح الجسيمات الموجودة في الوسط التي تتحرك من خلال الموجة بشكل متواز مع اتجاه الحركة، وبدلا من ذلك، تتأرجح الموجات الكهرومغناطيسية بشكل عمودي على اتجاه الحركة، والأمثلة الشائعة للموجات الكهرومغناطيسية هي الأشعة الضوئية
المسألة
من الأمثلة على الموجات الطولية؟
الحل
من الأمثلة على الموجات الطولية هي الموجات الصوتية:
تنقل الموجات الطولية الطاقة عن طريق الضغط والترخيم في نفس الاتجاه الذي يسافرون فيه، حيث إن العلاقة بين الطول الموجي والتردد تتمثل في أن الموجات الصوتية هي موجات طولية وتنتقل عن طريق ضغط الهواء لتسبب الاهتزاز. يمكن أن نذكر أمثلة على الموجات الكهرومغناطيسية مثل الأشعة السينية، الضوء، والميكروويف، وذلك حتى لو لم يتمكن المرء من تحديد ما إذا كانت عرضية أم طولية، لأنهم جميعا أعضاء في نفس الظاهرة ولديهم نفس نوع الانتقال للموجة. بالإضافة إلى ذلك، يتم إنشاء الموجات الشرطية بواسطة التذبذب داخل مستوى عمودي على اتجاه الحركة. يمكننا أن نقول أن تأرجح الحبل هو موجة عرضية، ويعود ذلك إلى أنه ينضغط في اتجاه الحركة
أجزاء الموجة
يمكن وصف الأمواج بأنها أحد الوسائل التي يمكن استخدامها لنقل الطاقة بين المخازن، إذ تتمثل في اهتزازات حول وضع الراحة، وعلى سبيل المثال، تتسبب الموجات الصوتية في اهتزاز جزيئات الهواء ذهابا وإيابا، كما يؤدي ذلك إلى اهتزاز جزيئات الماء لأعلى ولأسفل في هذه الحركة، ويمكن التمييز بين الموجات العرضية والطولية، وفي طول الموجة، تتوازى الاهتزازات مع اتجاه حركة الموجة، كما في الموجات المستعرضة، تتحرك الاهتزازات في زوايا قائمة على اتجاه انتقال الموجة، ويمكن تجزئة الموجة عن طريق وصف المصطلحات التالية
- الإزاحة: هي المسافة التي يقطعها نقطة محددة في الوسط بدءا من وضع السكون
- وضع الراحة: الحالة التي تكون فيها الجسيمات أو الحقول غير مهتزة
- الحوض الصغير: هو الموضع الأدنى تحت وسط الكف
- الذروة: وتمثل أعلى نقطة أعلى وسط الراحة.
- الطول الموجي: هي المسافة التي يستغرقها دورة كاملة من الموجة لتغطية مسافة معينة، وعادة ما يتم قياسها من الذروة أو حتى من القاع
- الاتساع: هذا هو الحد الأقصى لإزاحة نقطة موجة من موضعها الثابت
- التردد: هو عدد الموجات التي تمر بالنقطة في الثانية
- الفترة الزمنية: يتمثل ذلك في الوقت اللازم لإكمال دورة كاملة للموجة، ويتم قياسه عادة من القمة إلى القمة أو من أدنى نقطة إلى القاع
إظهار الموجات المستعرضة
تدل الموجة المستعرضة على وجود موجة متحركة تكون اهتزازاتها في وضع متعامد على المسار الخاص بالانتشار، بالإضافة إلى هذا، فإن أفضل مثال لموجة مثل هذه هو الموجة التي يتم تكوينها على غشاء الطبل، وإلى جانب يتم انتشار الموجات في اتجاهات متوازية مع مستوى الغشاء، كما أن الحدوث المنتشر للموجات المستعرضة يكون في المواد الصلبة ذات المرونة، وتؤدي التذبذبات في الحالات مثل هذه إلى إزاحة الجسيمات الصلبة في مواضع بعيدة عن موقع استرخاءها، في الاتجاه الذي يعتبر عموديًا على انتشار الموجة.