آشنایی با موج مکانیکی و کاربردها
فهرست مطالب
موج مکانیکی نقش مهمی در زندگی روزمره ایفا می کند، از موسیقی تا موج آب. موج مکانیکی زمانی می تواند انرژی را منتقل کند که محیط واسطی وجود داشته باشد.
به هر آشفتگی که در یک محیط ایجاد گردد، موج گفته می شود و بسته به نوع آشفتگی و محیط انتشار، امواج شکل های مختلفی دارند.
موج مکانیکی یکی از این اشکال است که نقش مهمی در زندگی روزمره ما ایفا می کنند، از صدای موسیقی گرفته تا امواج خروشان آب.
در این مقاله، با موج مکانیکی و اینکه چگونه تولید می شوند، انواع و ویژگی های آنها، عواملی که می توانند بر آنها تأثیر بگذارند و نمونه هایی از امواج مکانیکی آشنا می شویم. با ما همراه باشید.
موج مکانیکی چیست؟
موج اختلال یا آشفتگی است که انرژی را از منبع خود دور می کند یا به عبارت دیگر، انرژی منبع را منتقل می کند و در اشکال گوناگون وجود دارد.
امواج بر اساس نحوه حرکت موج شناسایی و دسته بندی می شوند. امواج الکترومغناطیسی (مانند نور خورشید) می توانند از فضای خالی یا خلأ عبور کنند اما تعریف موج مکانیکی کاملاً متفاوت است.
پس موج مکانیکی چیست؟ در علم فیزیک، موج مکانیکی در حقیقت همان نوسان ماده است و بنابراین انرژی را از طریق یک محیط مادی منتقل می کند (خلأ، از دیدگاه کلاسیک، یک محیط غیر مادی است که در آن امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌شوند).
در حالی که امواج می توانند در فواصل طولانی حرکت کنند، حرکت وسیله انتقال یا همان ماده که عامل نوسان است، محدود است و بنابراین، ماده نوسانی از موقعیت تعادل اولیه خود دور نمی شود.
بنابراین، یک موج مکانیکی تنها زمانی می تواند انرژی را منتقل کند که یک رسانه یا محیط واسط وجود داشته باشد (محیطی به سادگی یک ماده مانند هوا، آب یا زمین جامد) و تنها انرژی است که حرکت می کند و مکان را تغییر نمی دهد.
به عنوان مثال، ممکن است به نظر برسد که امواج آب اقیانوس توسط موج به ساحل منتقل می شود. با این حال، در واقعیت، آب بدون تغییر مکان واقعی خود به صورت دایره ای حرکت می کند.
یا توپی را تصور کنید که بر روی آب شناور است. امواج آن را به ساحل نمی برند، بلکه به صورت دایره ای بر روی امواج سوار می شوند، درست مانند آب زیر آن.
بنابراین، وقتی سنگریزه ای را در حوضچه می اندازید، سطح آب به سمت بیرون موج می زند. در اینجا، ذرات آب با موج دار شدن به سمت بیرون حرکت نمی کنند.
در عوض، آنها در حال حرکت به سمت بالا و پایین هستند و انرژی موج را به ذرات مجاور منتقل می کنند. ماده واقعی (در این مورد آب) مسافت طولانی را طی نمی کند، اما انرژی به شکل موج می رود.
موج مکانیکی چگونه تولید می شود؟
می دانیم که موج مکانیکی برای انتقال انرژی، به محیطی نیاز دارد، اماچگونه تولید می شوند؟
امواج مکانیکی زمانی تولید می شوند که انرژی حاصل از نوعی نیرو به ارتعاش در می آید یا ماده را مختل می کند و باعث حرکت آن می شود و تنها در محیط هایی که دارای کشش و اینرسی هستند تولید می شوند.
هوا، آب، زمین و سایر محیط ها می توانند توسط ارتعاشات، باد، شکستن سنگ و غیره مختل شوند. با عبور انرژی ناشی از این اختلال، انواع مختلفی از موج مکانیکی مانند امواج صوتی، امواج آب و امواج زلزله ایجاد می شوند.
انواع موج مکانیکی و نحوه انتقال انرژی
چگونه انرژی در یک موج مکانیکی حرکت می کند؟ در پاسخ به این سوال باد گفت که حرکت موج، بستگی به نوع آن دارد.
زمانی که به ماده یا یک محیط انرژی اعمال می شود، ذرات آن حرکت می کنند و باعث انتقال انرژی می شوند و الگوی حرکت ذرات در یک محیط، این انرژی را در چرخه های موج قابل پیش بینی به نام نوسان منتقل می کند.
تعداد سیکل یا نوساناتی که در هر ثانیه از یک نقطه عبور می کنند، فرکانس موج مکانیکی نامیده می شود. مقایسه الگوی نوسان و جهت انتشار انرژی موضوع اصلی است که نوع موج را مشخص می کند.
بر این اساس، به طور کلی سه نوع موج مکانیکی وجود دارد:
- امواج طولی
- امواج عرضی
- امواج سطحی
موج مکانیکی طولی
امواج طولی انواعی هستند که در آن ذرات درون محیط در جهتی موازی با جهت انتشار موج رو به جلو و عقب نوسان می کنند. این نوسانات رفت و برگشتی، سیکل های موج را ایجاد می کنند که شامل فشردگی است (ذرات به هم نزدیک می شوند) و سپس ذرات از هم دور می شوند (حالت نادری یا کم شدن تراکم).
تصویر زیر یک موج صوتی را نشان می دهد و نقطه ها نشان دهنده ذرات هوا هستند. بلندگوی ارتعاشی سمت چپ انرژی را به گوش سمت راست منتقل می کند. ذرات، از سمت راست به چپ نوسان می کنند که موازی با انتشار جریان انرژی است.
نقاط چرخه فشرده سازی (نقاط نزدیک به هم) و نادری (نقاط دور از هم) را نشان می دهند. ذرات به جلو و عقب ارتعاش می کنند اما در واقع از بلندگو به گوش دیگر حرکت نمی کنند. فقط انرژی از آن عبور می کند.
موج مکانیکی عرضی
نوع دیگری از امواج مکانیکی، موج عرضی است و برخلاف امواج طولی، حرکت ذرات عمود بر جهت انتشار انرژی می باشد.
امواج طولی اغلب با شکل موج مشخصی نشان داده می شوند که قله ها (بالاترین نقطه موج) و فرو رفتگی ها (پایین ترین نقطه موج) را نشان می دهد.
در گیف بالا و تصویر زیر نمونه ای از یک موج عرضی را نشان می دهد. انرژی از چپ به راست منتشر می شود در حالی که محیط با قله ها و فرورفتگی هایش عمود بر انتشار موج حرکت می کند.
موج مکانیکی سطحی
امواج سطحی، ترکیبی از امواج طولی و عرضی هستند و همانطور که از نامشان پیداست، در سراسر سطح یک محیط یا در مرزهای بین آنها حرکت می کنند.
حرکت محیط هم موازی و هم عمود بر جهت انتشار موج است که باعث ایجاد نوسان دایره ای ذرات در سطح یا نزدیک آن می شود.
مثال هایی از موج مکانیکی
امواج مکانیکی را می توان به وفور در زندگی روزمره و در جامدات، مایعات و گازها مشاهده کرد. در ادامه چند مثال رایج موج مکانیکی ذکر شده است.
امواج زلزله
پوسته زمین به صفحات بزرگی شکسته شده است که به دلیل فشار مواد داغ و مذاب زیر آن در حرکت دائمی هستند و این فشار در داخل سنگ انقدر ادامه می یابد تا زمانی که شکسته شود.
انرژی آزاد شده از شکستن سنگ توسط امواج مکانیکی با نام امواج لرزه ای یا امواج زلزله منتقل می شود. دانشمندان انواع مختلفی از امواج لرزه ای را بر اساس خواص آنها شناسایی کرده اند.
امواج P (یا امواج اولیه):
امواج مکانیکی طولی هستند و بنابراین حرکت سنگ ها موازی با جهت حرکت انرژی است. امواج P سریع ترین امواج لرزه ای هستند که می توانند در هر دو بخش جامد و مایع زمین حرکت کنند.
امواج S (امواج ثانویه):
امواج مکانیکی عرضی هستند و حرکت سنگ ها عمود بر جهت حرکت انرژی است. آنها دومین نوع از امواج لرزه ای سریع هستند که می توانند از میان لایه های جامد زمین عبور کنند، اما نه مایع.
امواج Love و امواج رایلی
امواج مکانیکی سطحی هستند که ایجاد می شوند و از آنجایی که در سطح ایجاد می شوند و حرکت موازی و عمود بر انتشار موج را شامل می شوند، بیشترین آسیب های ناشی از زلزله را بر عهده دارند.
امواج رایلی که به عنوان رول زمین نیز شناخته می‌شوند، امواجی هستند که به صورت موج هایی با حرکتی مشابه امواج روی سطح آب حرکت می کنند.
امواج رایلی فقط در دو بعد تلفات انرژی دارند و از این رو در زلزله ها مخرب تر از امواج توده ای معمولی مانند امواج P و امواج S هستند که در هر سه جهت انرژی را از دست می دهند.
موج مکانیکی نوع LOVE نیز یک موج سطحی است که دارای امواج افقی برشی یا عرضی جهت انتشار است. آنها معمولاً کمی سریع تر از امواج رایلی حرکت می کنند و بیشترین دامنه را دارند.
امواج صوتی
آیا صدا یک موج مکانیکی است؟ بلی. امواج صوتی نمونه ای از امواج مکانیکی طولی هستند که ذرات درون محیط به موازات انتشار انرژی به سمت جلو و عقب ارتعاش می کنند.
هنگامی که ذرات ارتعاشی هوا به پرده گوش ما برخورد می کنند، ارتعاشات آنها منتقل می شود و به چیزی تبدیل می شود که مغز ما به عنوان صدا تشخیص می دهد. حجم و زیر و بمی صداها به طور مستقیم با تعداد ذرات حرکت کننده و سرعت نوسان آنها مرتبط است.
بدون ذرات برای ارتعاش (مانند فضای بیرونی)، چیزی برای حمل انرژی صوتی وجود نخواهد داشت و فضای بیرونی بسیار ساکت می شود.
امواج اقیانوس و دریا
امواجی که در ساحل می بینیم، نمونه ای از موج های سطحی هستند که حامل انرژی باد هستند. امواج در جهتی حرکت می کنند که باد آنها را فشار می دهد و ذرات آب در سطح به صورت دایره ای حرکت می کنند، بدون اینکه مکان واقعی خود را تغییر دهند.
سخن پایانی
موج مکانیکی برای انتقال انرژی خود به یک ماده یا محیط واسط نیاز دارد و زمانی ایجاد می شوند که نیرویی (مانند زلزله، باد، ارتعاش و غیره) بر روی محیط اثر بگذارد و باعث حرکت ذرات آن شود.
امواج مکانیکی انرژی را از منبع دور می کنند که به این پدیده، انتشار ذرات درون ماده می گویند. جهت حرکت ذرات در مقایسه با جهتی که موج منتشر می شود، نوع موج را تعیین می کند که بر این اساس، سه نوع اصلی موج مکانیکی عبارتند از امواج طولی، امواج عرضی و امواج سطحی.
هر سه نوع را می توان در زندگی روزمره ما مشاهده کرد، از ارتعاش سیم های یک دستگاه موسیقی گرفته تا پچ پچ های شنیدنی یک بازار شلوغ. درک ماهیت و مکانیک این امواج اولین قدم برای درک پیچیدگی های بزرگتر دنیای فیزیکی است.
