بحث عن خصائص الموجات

الموجة

على الرغم من كون مفهوم الموجة يعتبر مفهوماً مجرّداً، إلّا أن القيام بتجربةٍ بسيطةٍ وآمنةٍ ولا تتطلب الكثير من المواد والأدوات - ويمكن القيام بها في البيتِ أو في أي مكانٍ آخر - قد يُمكِّننا من معرفة ماهيّة الأمواج حقاً، وكيف تتشكّل، وما هي خصائصها؛ فلو قمنا بإلقاء حصاة في بركة من الماء، فسنلاحظ بكلّ وضوحٍ تحرّك الماء في البركة، وعادةً ما نسمي هذه حركة: "الحركة الموجية"، فالماء يرتفع للأعلى وينزل للأسفل، ويتحرّك لليمين قليلاً ولليسار قليلاً، وهذه الحركة تتكرّر مُشَكّلةً العديد من الأمواج. ويمكن جعل هذه الحركة واضحةً أكثر بإضافة كرةٍ خفيفةٍ مجوفةٍ (حتى تتمكن من الطفو على سطح الماء) ومن ثم إلقاء الحجر في الماء، وسنلاحظ الحركات المذكورة سابقاً. ومن الجدير بالذكر أن مُحصّلة هذه الحركات لن توثر في موقع الكرة المجوّفة، وهذا بسبب أن الماء يعود للنقطة التي بدأ بالتموّج عندها (وهي ما نسميها نقطة الاستقرار) وإن تغيّر موقع الكرة فهذا بسبب اكتسابها طاقةً حركيةً انتقلت إليها من الموجة.[1]

وفي ما يلي بعض المعلومات عن بعض خصائص الموجات، وعن الطرق المُتّبعة في تصنيفِ الموجات تِبعاً لخصائصها، وكذلك تفاصيل أكثر عن المثال المذكور (إلقاء حصاة في بركة ماء).

خصائص الموجات

للأمواج العديد من الخصائص المميّزة لها، والتي تجعلنا نميّز موجة عن أخرى، وتسمح لنا أن نَصِفَ موجةً بأنّها ذات طاقة عالية، أو موجة أخرى بأنّها ذات طاقة منخفضة، ومن هذه الخصائص:

• الطول الموجي: الطول الموجي هو عبارة عن المسافة بين قمّتين متتاليتين أو قاعين متتاليين، هذا إذا كنا نتحدث عن الأمواج المُستعرضة، لكن إذا كنا نتحدث عن الأمواج الطوليّة فإن الطّول الموجي يكون المسافة بين تضاغُطين متتاليين، أو تخلخلين متتاليين (لاحقاً سنوضح ماهي القمة والقاع، والتضاغط والتخلخل، والأمواج الطولية والمُستعرضة) ويقاس الطول الموجي بوحدات قياس الطول، ففي النظام العالمي للوحدات يُستخدم المتر - والأجزاء من المتر - لقياس الطول الموجي.[2]
• الزمن الدوري: وهو الزّمن اللّازم لموجة كاملة واحدة لعبور نقطة ما. ويقاس الزمن الدوري بالثواني.[2]
• التردّد: التردّد هو نسبة تكرار الموجة لنفسها في وحدة الزمن، ومفهوم التردد مرتبط بسرعة الموجة وطولها الموجي حسب العلاقة التالية: ع = تد × λ

حيث إنّ:

• ع: هي سرعة إنتشار الموجة
• تد: هي تردد الموجة
• λ (لامدا): هي الطول الموجي للموجة.

ويتّضح من هذه العلاقة أن التردّد يتناسب عكسياً مع الطول الموجي؛ فكلما زاد الطول الموجي يقل التردد. ويذكر أن وحدة قياس التردد هي مقلوب وحدة قياس مقلوب الثانية، وهذه الوحدة تعرف بالهيرتز.[2][1]

• السعة: سعة الموجة هي واحدة من خصائص الموجة التي تؤثر على مقدار طاقتها، بحيث إن طاقة الموجة تتناسب تناسباً طردياً مع سِعتها. وتُعرّف السعة على أنّها المسافة بين قمة الموجة أو قاعها مع المستوى الصفريّ، وهو المستوى الذي تختفي عنده الحركة الموجية، كما يمكن التفكير فيه على أنه مستوى الاتّزان للوسط الناقل للموجة. وسِعة الموجة تقاس أيضاً بوحدات الطول.[2]
• سرعة انتشار الموجة: وهي السرعة التي تتحرك فيها الموجة سواء في الفراغ أم في الوسط الناقل، ويمكن التفكير فيها على أنّها السرعة التي تقوم الموجة فيها بإعادة توليد نفسها، وتقاس بوحدات قياس السرعة، والتي هي وحدات قياس الطول مقسومة على وحدات قياس الزمن، وفي الحالة التي نتحدث فيها، تكون السرعة مُقاسةً بوحدات النظام العالمي للوحدات لتصبح وحدة السرعة هي متر/ ثانية.[2]
• طاقة الموجة: وهي واحدة من أهم خصائص الموجات لأنها تمكننا من معرفة الطاقة المُنتقلة من الموجة إلى أي شي آخر، وتتناسب الطاقة المنتقلة من الموجة مع مربع التردّد ومع مربّع السعة، وكذلك مع سرعتها.[1]

أنواع الموجات

يمكن تصنيف الأمواج بالاعتماد على معيارين مختلفين، ولذلك فإن هناك تصنيفين مختلفين لأنواع الموجات، والمعيار الأول يعتمد على اتجاه انتشار الموجة، بينما المعيار الثاني يعتمد على حاجة الموجة لوسط يحملها أم عدم حاجتها لمثل هذا الوسط.

تصنيف الأمواج اعتماداً على اتجاه انتشارها

تُقسم الأمواج إلى قسمين رئيسين، هما الأمواج الطولية والأمواج المُستعرضة كالآتي:[3]

• الموجة الطّولية: تتألف الموجة الطولية الواحدة من تضاغطٍ واحد وتخلخل واحد؛ وعلى سبيل المثال، لو كنا نتحدث عن موجة صوتيّة فإن التضاغط فيها سيكون عبارة عن انضغاط جزيئات الهواء واقترابها من بعضها البعض، بينما التّخلخل هو تباعد جزيئات الهواء عن بعضها البعض.
• الموجة المُستعرضة: وتكون مؤلّفة من قمّة وقاع؛ فعلى سبيل المثال، لو أخذنا موجة مائيّة فإن الموجة ستظهر على شكل ارتفاع وانخفاض في مستوى الماء، وهذا ما يعرف بالقمة والقاع.

وكما ذكرنا سابقاً فإنه يمكن تصنيف الأمواج تِبعاً لاتجاه انتشارها؛ فالموجات الطّولية تنتشر بنفس اتجاه الموجة، حيث إن اتّجاه التموّج واتّجاه انتشار الموجة يكون واحداً. وبكلماتٍ أخرى، فإن الموجات الطولية تتحرك بشكل موازٍ لتموّج الوسط. بينما الموجة المُستعرضة تنتشر بشكل عامودي على الموجة أي أنّها تتحرك بشكل عامودي على تموّج الوسط. يذكر أنّه يوجد نوع ثالث من الأمواج في هذا التصنيف يُعرف "بالأمواج السطحية" والحركة في هذه الأمواج تكون حركةً دورانية عند سطح الوسط، وتقل هذه الأمواج كلما اتجهت عميقاً في الوسط.[4]

تصنيف الأمواج اعتماداً على الوسط

في هذا التّصنيف يمككنا تقسيم الأمواج إلى صنفين، واحد يحتاج إلى وسط حتى يَنتقل، والآخر لا يحتاج إلى وسط (أي أنّ بإمكانه الانتقال في الفراغ). والصّنف الذي لا يحتاج للوسط ينتقل فيه فيعرف بالأمواج الكهرومغناطيسية، وهي أمواج لا تَحتاج إلى وسط حتى تنقل الطاقة من مكان إلى آخر، ومثال عليها الضوء المرئي الذي ينبعث من الشمس ويعبر الفراغ حتى يصل للأرض. أما الصنف الثاني فيعرف بالأمواج الميكانيكية؛ وهي أمواج تحتاج إلى وسط حتى تتمكن من نقل الطاقة الحاملة لها من مكان الى آخر، ومثال عليها أمواج الصوت.[4]

المراجع

1. ^ أ ب ت Raymond A. Serway and John W. Jewett (2004), Physics for Scientists and Engineers, USA: Thomson Brooks/Cole, Page 487, 493, 502, Part 6th edition. Edited.
2. ^ أ ب ت ث ج "Properties of waves", Randy Kobes, University of Winnipeg, Retrieved 13-1-2018. Edited.
3. ↑ Dan Russell, "Longitudinal and Transverse Wave Motion"، Acoustics and Vibration Animations, Retrieved 13-1-2018. Edited.
4. ^ أ ب "Categories of Waves", Physics Classroom, Retrieved 13-1-2018.