الموجات السطحية: الخصائص والأنواع والأمثلة - جسدي - بدني - 2025

الموجات السطحية هي تلك التي يكون فيها للجسيمات المهتزة حركة في بعدين ، مثل الموجات التي تنتج عندما يسقط حجر في بركة أو بحيرة.

يحدث هذا النوع من الموجات في الواجهة بين وسيطين مختلفين ، مثل المحيط والهواء ، أو بين سطح الأرض والهواء. هذه هي الموجات التي تختبر فيها الجسيمات عرضيًا جنبًا إلى جنب مع إزاحة طولية ، أي ثنائية الأبعاد.

الشكل 1. موجات سطحية في بركة. المصدر: Pixabay.

على سبيل المثال ، تتحرك جزيئات الماء على سطح المحيط - الأمواج - في مسارات دائرية. عندما تنكسر الأمواج على الشاطئ ، تسود عمليات النزوح الطولية وبالتالي تظهر الأعشاب البحرية أو قطعة من الخشب تتحرك بسلاسة من الأمام إلى الخلف.

تتحرك الأمواج أيضًا على سطح الأرض بطريقة مماثلة لأمواج المحيط. إنها تسافر بسرعة أبطأ من الموجات التي تتحرك داخليًا عبر حجم الأرض ، لكنها قادرة على إحداث صدى في المباني بسهولة أكبر.

نظرًا لأن الموجات تنتج اهتزازات وتحمل الطاقة ، فإن لها تأثيرات مدمرة أثناء الزلازل.

الشكل 2. الموجات السطحية في المحيط. تتحرك جزيئات الماء في اتجاه عقارب الساعة عندما تكون حركة الموجة من اليسار إلى اليمين. في أعلى نقطة يكونون على قمة الموجة ، بينما أدنى نقطة تسمى القناة. مصدر الشكل الأيسر: F. Zapata. مصدر الشكل الأيمن: جيامباتيستا ، أ. 2010. فيزياء. الثاني. الإصدار. ماكجرو هيل.

أنواع الموجات السطحية

أي نوع من الموجات ، سواء كانت سطحية أو غير سطحية ، هو حل لمعادلة الموجة ، والذي يتم تطبيقه تقريبًا على أي نوع من حركة الموجة ، ليس فقط ميكانيكيًا ، كما تم وصف الأمثلة ، ولكن أيضًا الموجات الكهرومغناطيسية ، وهي نوع مختلف من الموجات لأنها عرضية.

تمت كتابة معادلة الموجة ، التي يتم الحصول عليها مع مراعاة قانون نيوتن الثاني ، على النحو التالي:

في المعادلة أعلاه ، u هي دالة الموجة التي تعتمد على الإحداثيات المكانية الثلاثة x و y و z زائد الوقت t: u = u (x ، y ، z ، t). علاوة على ذلك v هي سرعة الاضطراب. يمكن ذكر معادلة الموجة في أنظمة إحداثيات أخرى اعتمادًا على الهندسة المطلوبة.

للعثور على حل المعادلة ، يتم تعديلها وفقًا لظروف المشكلة ، حيث يتم ، على سبيل المثال ، تحديد الهندسة وخصائص الوسيط الذي يتحرك الاضطراب من خلاله.

هناك أنواع عديدة من الموجات السطحية مثل:

- موجات الجاذبية (أمواج الجاذبية) مثل موجات المحيط الموصوفة في البداية ، حيث توفر الجاذبية قوة استعادة تسمح بالحركة العرضية.

- سطح منتفخ في بركة ، وهنا التوتر السطحي للماء الذي يمارس كقوة إصلاح.

- الموجات السطحية المرنة التي تتحرك على سطح الأرض أثناء الزلزال.

- الموجات الكهرومغناطيسية ، والتي على الرغم من كونها مستعرضة ، يمكن توجيهها بشكل صحيح للتحرك على سطح.

- بعض أنواع الموجات التي تنتج في أوتار الجيتار عند ضرب الأوتار بقوة.

موجات مرنة سطحية على سطح الأرض

الشكل 3. الموجة السطحية على سطح الأرض. حركة الجسيمات عبارة عن مزيج من الإزاحة العرضية والطولية. المصدر: Giambattista، A. 2010. Physics. الثاني. الإصدار. ماكجرو هيل.

عند حل معادلة الموجة ، فإن الحلول ، كما قلنا ، تتوافق مع أنواع مختلفة من الموجات. عندما يتحرك الاضطراب في وسط صلب مثل قشرة الأرض ، فمن الممكن وضع بعض الافتراضات حوله التي تبسط العملية.

لهذا السبب ، يُعتبر الوسيط مرنًا تمامًا ومتجانسًا وخواص الخواص ، مما يعني أن خصائصه هي نفسها بغض النظر عن الموضع أو الاتجاه.

مع وضع هذا في الاعتبار ، فإن اثنين من الحلول لمعادلة الموجة في وسط مرن تتوافق مع موجات السطح:

- Waves of Rayleigh ، التي سميت على اسم اللورد رايلي (1842-1919) ، الفيزيائي البريطاني الذي وصفها لأول مرة.

- موجات الحب ، لأغسطس لوف ، الجيوفيزيائي وعالم الرياضيات البريطاني (1863-1940) الذي طور نظرية هذه الموجات في أعماله حول المرونة.

في الموجات الزلزالية ، تسمى هذه الموجات موجات L ، لتمييزها عن موجات P وموجات S ، وكلاهما يعتبر موجات حجم (موجات الجسم) والتي تعد أيضًا حلًا لمعادلة الموجة بالشروط الموضحة أعلاه. موجات P طولية وموجات S عرضية.

أمثلة على موجات السطح

موجات رايلي

في موجة رايلي ، تهتز جسيمات واجهة الموجة في المستوى العمودي ، لذلك يقال إنها مستقطبة رأسياً. تتحرك الجسيمات في شكل بيضاوي ، على عكس الموجات الموجودة على سطح المحيط ، والتي تكون حركتها دائرية ، كما قيل في البداية (على الرغم من قربها من الساحل فهي إلى حد ما بيضاوية الشكل).

المحور الرئيسي للقطع الناقص عمودي والمحور الثانوي يتبع اتجاه الانتشار ، كما هو موضح في الشكل. هناك يلاحظ أيضًا أن الحركة رجعية ، أي أنها تتم في اتجاه عكس عقارب الساعة.

الشكل 4. موجة رايلي. المصدر: Lowrie، W. 2007. Fundamentals of Geophysics. الثاني. الإصدار. صحافة جامعة كامبرج.

هناك اختلاف مهم آخر مع موجات الماء وهو أن موجات رايلي لا يمكن أن تنتشر إلا في وسط صلب ، حيث توجد قوة قص لا تحدث في السوائل.

يتناقص اتساع إزاحة الجسيم أضعافًا مضاعفة مع العمق ، نظرًا لأن الموجة محصورة في السطح ، على الرغم من أنه إذا كان زلزالًا شديد الكثافة ، يمكن للموجات أن تدور حول الأرض عدة مرات قبل أن تتلاشى تمامًا.

موجات الحب

في موجات الحب ، تكون الجسيمات مستقطبة أفقيًا ولها سعة كبيرة من الحركة موازية للسطح. تتحرك بسرعة أبطأ قليلاً من موجات رايلي ، على الرغم من أن السرعة في هذه الأنواع من الموجات تعتمد على الطول الموجي (الموجة المشتتة).

لكي تنتشر هذه الموجات ، يجب أن تكون هناك طبقة منخفضة السرعة متراكبة على طبقة واحدة على الأقل عالية السرعة في المنتصف. مثل موجات رايلي ، يمكن لموجات الحب الناتجة أثناء الزلزال أن تدور حول الأرض عدة مرات قبل أن تشتت طاقتها.

الشكل 5. موجات الحب. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. نيكوجوارو

لفة الأرض

من الشائع العثور على هذا النوع من موجات رايلي ، والذي يسمى التدحرج الأرضي ، في سجلات الاستكشاف الزلزالي. يعتبر ضجيجًا ويجب تجنبه ، نظرًا لسعته الكبيرة ، فإنه يخفي أحيانًا الانعكاسات التي تتطلع إلى رؤيتها.

أمواج المحيط

في العمق الكبير ، تكون موجات المحيط موجات طولية ، مثلها مثل موجات الصوت. هذا يعني أن اتجاه انتشاره هو نفس الاتجاه الذي تهتز فيه الجسيمات.

ومع ذلك ، فإن الموجة ، بالقرب من السطح ، لها مكونات طولية وعرضية ، مما يجعل الجسيمات تتبع مسارًا دائريًا تقريبًا (انظر الشكل 2 على اليمين).

الشكل 6. موجات المحيط هي موجات سطحية. المصدر: Pixabay.

المراجع

1. Figueroa، D. 2005. الموجات والفيزياء الكمومية. سلسلة الفيزياء للعلوم والهندسة. حرره د. فيغيروا.
2. جيامباتيستا ، أ. 2010. الفيزياء. ماكجرو هيل.
3. Lowrie، W. 2007. أساسيات الجيوفيزياء. الثاني. الإصدار. صحافة جامعة كامبرج.
4. ويكيبيديا. موجات الحب. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.
5. ويكيبيديا. موجات رايلي. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.
6. ويكيبيديا. موجات سطحية. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org.