- كيف تظهر الموجات الطولية في أمواج المحيط؟
- العلاقة بين العمق والطول الموجي
- الاختلافات مع موجات القص
- مزيد من الاختلافات بين الموجات المستعرضة والطولية
- أوجه التشابه بين الموجات الطولية والعرضية
- أمثلة على الموجات الطولية
- - موجات زلزالية
- - تمرين التطبيق
- الرد
- المراجع
و الموجات الطولية تتجلى في الوسائل المادية التي الجسيمات بالتوازي التأرجح إلى الاتجاه يسافر الموجة. كما سيظهر في الصور التالية. هذه هي ميزته المميزة.
تعتبر الموجات الصوتية ، موجات معينة تظهر أثناء الزلزال وتلك التي يتم إنتاجها في النبض أو الربيع عندما تُعطى دفعة صغيرة في نفس اتجاه محورها ، أمثلة جيدة على هذه الفئة من الموجات.
الشكل 1. الصوت عبارة عن موجة طولية تنتج ضغطات وتمددات متتالية في الهواء. المصدر: ويكيميديا كومنز. بلوك
يتم إنتاج الصوت عندما يهتز جسم (مثل الشوكة الرنانة للشكل ، أو الآلة الموسيقية ، أو مجرد الحبال الصوتية) في وسط قادر على نقل الاضطراب من خلال اهتزاز جزيئاته. الهواء هو وسيط مناسب ، ولكن السوائل والمواد الصلبة كذلك.
يغير الاضطراب ضغط وكثافة الوسط بشكل متكرر. بهذه الطريقة ، تنتج الموجة ضغطات وتمددات (خلخلة) في جزيئات الوسط ، حيث تتحرك الطاقة بسرعة معينة v.
تدرك الأذن هذه التغيرات في الضغط من خلال اهتزازات طبلة الأذن ، والتي تعد الشبكة العصبية مسؤولة عن تحويلها إلى تيارات كهربائية صغيرة. عند الوصول إلى الدماغ ، يفسرها كأصوات.
في الموجة الطولية ، يُطلق على النمط الذي يتكرر باستمرار دورة ، ومدتها هي فترة الموجة. هناك أيضًا السعة ، وهي أقصى شدة والتي يتم قياسها وفقًا للحجم المأخوذ كمرجع ، في حالة الصوت يمكن أن يكون تغير الضغط في الوسط.
معلمة أخرى مهمة هي الطول الموجي: المسافة بين ضغطين أو تمددان متتاليان ، انظر الشكل 1. في النظام الدولي ، يقاس الطول الموجي بالأمتار. أخيرًا هناك سرعته (بالأمتار / الثانية للنظام الدولي) ، والتي تشير إلى مدى سرعة انتشار الطاقة.
كيف تظهر الموجات الطولية في أمواج المحيط؟
في الجسم المائي ، تنتج الموجات لأسباب متعددة (تغيرات الضغط ، والرياح ، وتفاعلات الجاذبية مع النجوم الأخرى). وبهذه الطريقة يمكن تصنيف الأمواج البحرية إلى:
- موجات الرياح
- المد والجزر
- تسونامي
وصف هذه الموجات معقد للغاية. بشكل عام ، تتحرك الأمواج في المياه العميقة طوليًا ، مما ينتج عنه ضغطات وتمددات دورية للوسط ، كما هو موضح في البداية.
ومع ذلك ، تختلف الأمور قليلاً على سطح البحر ، حيث تسود هناك ما يسمى بالموجات السطحية ، والتي تجمع بين خصائص الموجات الطولية والموجات المستعرضة. لذلك فإن الموجات التي تتحرك في أعماق البيئة المائية تختلف اختلافًا كبيرًا عن الموجات التي تتحرك على السطح.
يحتوي السجل العائم على سطح البحر على نوع من الحركة الترددية أو الدورية بلطف. في الواقع ، عندما تنكسر الأمواج على الشاطئ ، فإن المكونات الطولية للموجة هي التي تسود ، وبما أن السجل يستجيب لحركة جزيئات الماء المحيطة به ، فإنه يُلاحظ أيضًا أنه يأتي ويذهب على السطح.
الشكل 2. موجات البحر على السطح هي موجات لها خصائص موجية طولية وجزئية عرضية. المصدر: المصدر: Vargklo at en.wikipedia
العلاقة بين العمق والطول الموجي
العوامل التي تحدد نوع الموجة التي يتم إنتاجها هي: عمق الماء وطول موجة البحر. إذا كان عمق الماء عند نقطة معينة يسمى d ، والطول الموجي λ ، فإن الموجات تنتقل من كونها طولية إلى سطحية عندما:
على السطح ، تكتسب جزيئات الماء حركات دورانية تفقدها مع زيادة العمق. يؤدي احتكاك كتلة الماء بالقاع إلى جعل هذه المدارات بيضاوية الشكل ، كما هو موضح في الشكل 2.
على الشواطئ ، تكون المياه القريبة من الشاطئ أكثر اضطراباً لأن الأمواج تتكسر ، وتتباطأ جزيئات الماء في القاع وهذا يتسبب في تراكم المزيد من المياه على التلال. في المياه العميقة ، من ناحية أخرى ، يُدرك كيف تنخفض الأمواج.
عندما تكون d >> λ / 2 لدينا أمواج عميقة أو موجات قصيرة ، تقل المدارات الدائرية أو الإهليلجية في الحجم وتهيمن الموجات الطولية. وإذا كانت d << λ / 2 فإن الأمواج من المياه السطحية أو الأمواج الطويلة.
الاختلافات مع موجات القص
تندرج كل من الموجات الطولية والعرضية في فئة الموجات الميكانيكية ، والتي تتطلب وسيطًا ماديًا لانتشارها.
تم ذكر الفرق الرئيسي بين الاثنين في البداية: في الموجات المستعرضة تتحرك جسيمات الوسط بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة ، بينما في الموجات الطولية تتأرجح في نفس الاتجاه متبوعًا بالاضطراب. لكن هناك ميزات أكثر تميزًا:
مزيد من الاختلافات بين الموجات المستعرضة والطولية
- في الموجة المستعرضة ، تتميز القمم والوديان ، والتي في الموجات الطولية تعادل الانضغاطات والتمدد.
- الاختلاف الآخر هو أن الموجات الطولية ليست مستقطبة لأن اتجاه سرعة الموجة هو نفسه اتجاه حركة الجسيمات المتذبذبة.
- يمكن أن تنتشر الموجات المستعرضة في أي وسط وحتى في الفراغ ، مثل الموجات الكهرومغناطيسية. من ناحية أخرى ، داخل السوائل ، التي تفتقر إلى الصلابة ، ليس أمام الجسيمات خيار سوى الانزلاق فوق بعضها البعض والتحرك كما يحدث الاضطراب ، أي طوليًا.
نتيجة لذلك ، تكون الموجات التي نشأت في منتصف كتل المحيطات والغلاف الجوي طولية ، حيث تتطلب الموجات المستعرضة وسائط ذات صلابة كافية للسماح بالحركات العمودية المميزة.
- الموجات الطولية تسبب تغيرات في الضغط والكثافة في الوسط الذي تنتشر من خلاله. من ناحية أخرى ، لا تؤثر الموجات المستعرضة على الوسط بهذه الطريقة.
أوجه التشابه بين الموجات الطولية والعرضية
لديهم نفس الأجزاء المشتركة: الدورة ، والسعة ، والتردد ، والدورات ، والطور ، والسرعة. تخضع جميع الموجات للانعكاس والانكسار والحيود والتداخل وتأثير دوبلر وتحمل الطاقة عبر الوسط.
على الرغم من أن القمم والوديان مميزة للموجة المستعرضة ، فإن الانضغاطات في الموجة الطولية تماثل القمم والامتدادات إلى الوديان ، بحيث تقبل كلا الموجتين نفس الوصف الرياضي لموجة جيبية أو موجة جيبية.
أمثلة على الموجات الطولية
الموجات الصوتية هي أكثر الموجات الطولية شيوعًا وهي من بين أكثر الموجات دراسة ، لأنها أساس الاتصال والتعبير الموسيقي ، وأسباب أهميتها في حياة الناس. بالإضافة إلى ذلك ، للموجات الصوتية تطبيقات مهمة في الطب ، سواء في التشخيص أو في العلاج.
تُعرف تقنية الموجات فوق الصوتية بالحصول على الصور الطبية ، فضلاً عن علاج حصوات الكلى ، من بين تطبيقات أخرى. يتم إنشاء الموجات فوق الصوتية بواسطة بلورة كهرضغطية قادرة على إنشاء موجة ضغط طولية عند تطبيق مجال كهربائي (كما أنها تنتج تيارًا عند تطبيق الضغط).
لنرى حقًا كيف تبدو الموجة الطولية ، لا شيء أفضل من نوابض لولبية أو سلينكيس. من خلال إعطاء دفعة صغيرة للربيع ، من الضروري ملاحظة كيفية انتشار الضغط والتوسع بالتناوب خلال المنعطفات.
- موجات زلزالية
الموجات الطولية هي أيضًا جزء من الحركات الزلزالية. تتكون الزلازل من أنواع مختلفة من الموجات ، من بينها موجات P أو موجات أولية و S أو موجات ثانوية. الأول طولية ، بينما في الأخير تهتز الجسيمات المتوسطة في اتجاه عرضي لإزاحة الموجة.
في الزلازل ، يتم إنتاج كل من الموجات الطولية (موجات P الأولية) والموجات المستعرضة (موجات S الثانوية) وأنواع أخرى ، مثل موجات رايلي وموجات الحب ، على السطح.
في الواقع ، الموجات الطولية هي الوحيدة المعروف أنها تنتقل عبر مركز الأرض. نظرًا لأنها تتحرك فقط في الوسائط السائلة أو الغازية ، يعتقد العلماء أن لب الأرض يتكون أساسًا من الحديد المصهور.
- تمرين التطبيق
الموجات P وموجات S التي تنتج أثناء الزلزال تنتقل بسرعات مختلفة على الأرض ، لذلك تختلف أوقات وصولها إلى محطات قياس الزلازل (انظر الشكل 3). بفضل هذا ، من الممكن تحديد المسافة إلى مركز الزلزال ، عن طريق التثليث ، باستخدام البيانات من ثلاث محطات أو أكثر.
الشكل 3. الموجات الزلزالية P و S تصلان إلى أجهزة قياس الزلازل بأوقات مختلفة ، لأن سرعاتهما مختلفة. المصدر: ويكيميديا كومنز.
افترض أن v P = 8 km / s هي سرعة الموجات P ، بينما سرعة الموجات S هي v S = 5 km / s. تصل الموجات P قبل دقيقتين من أول موجات S. كيف تحسب المسافة من مركز الزلزال؟
الرد
لنفترض أن D هي المسافة بين مركز الزلزال ومحطة رصد الزلازل. باستخدام البيانات المقدمة ، يمكن العثور على وقت السفر t P و t S لكل موجة:
الخامس P = D / t P
الخامس S = D / t S
الفرق هو Δt = t S - t P:
Δt = D / v S - D / v P = D (1 / v S - 1 / v P)
حل قيمة D:
D = Δt / (1 / v S - 1 / v P) = (Δt. V P. V C) / (v P - v C)
مع العلم أن الدقيقتين = 120 ثانية واستبدال باقي القيم:
د = 120 ثانية. (8 كم / ث. 5 كم / ث) / (8-5 كم / ث) = 1600 كم.
المراجع
- الفرق بين الموجات المستعرضة والموجات الطولية. تم الاسترجاع من: physicsabout.com.
- Figueroa، D. 2005. الموجات والفيزياء الكمومية. سلسلة الفيزياء للعلوم والهندسة. المجلد 7. حرره دوغلاس فيغيروا. جامعة سيمون بوليفار. 1-58.
- الموجات فوق الصوتية والموجات فوق الصوتية. تم الاسترجاع من: lpi.tel.uva.es
- ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون. 263-286.
- راسل ، د. الحركة الموجية الطولية والعرضية. تم الاسترجاع من: acs.psu.edu.
- موجات الماء. تم الاسترجاع من: labman.phys.utk.edu.