امواج رونده و امواج ایستاده

یک موج مکانیکی عبارت است از یک آشفتگی که توسط یک جسم مرتعش ایجاد می شود و سپس در یک محیط از نقطه ای به نقطه دیگر رفته و انرژی را حین حرکت با خود منتقل می کند. مکانیزمی که توسط آن یک موج مکانیکی خودش را در یک محیط منتشر می کند بر هم کنش مولکولی نامیده می شود. یک مولکول نسبت به مولکول های مجاور خودش، جاذبه یا دافعه دارد که باعث جابه جایی مولکول مجاور از موقعیت تعادلی خود می گردد. همان طور که یک موج در محیط جابه جا می گردد، قله آن نیز از ملکولی به مولکول دیگر حرکت می کند. این قله توسط دره موج دنبال می شود و به دنبال آن نیز قله بعدی از راه می رسد. در حقیقت، از دید یک ناظر یک الگوی موج واضح ( به شکل یک موج سینوسی ) وجود دارد که در یک محیط به حرکت در آمده است. این الگوی موج سینوسی به صورت پیوسته در حرکت است تا جایی که با یک موج دیگر در محیط مواجه شده و یا تا زمانی که به مرز محیط دیگری برسد. این نوع الگوی موج که به نظر می رسد در یک محیط به حرکت در آمده را اغلب موج رونده می نامند.

امواج رونده زمانی مشاهده می شوند که یک موج به یک فضای معین در یک محیط محدود نشود. معمول ترین موج رونده قابل مشاهده، یک موج اقیانوسی است. اگر یک موج توسط یک طناب کشسانی که دو سر آن سه متر از هم فاصله دارند ایجاد شود، این موج به یک محدوده خاص منحصر می شود.چنین موجی تنها می تواند سه متر جای حرکت داشته باشد. این موج سریعا به انتهای طناب رسیده، بازتاب شده و در جهت مخالف باز می گردد. سپس هر بخش بازتاب شده از موج با بخشی از موج تابیده شده به سمت انتهای بسته، تداخل خواهد کرد. این تداخل باعث به وجود آمدن یک شکل جدید در محیط می شود که به ندرت شبیه یک موج سینوسی است. در نتیجه یک موج رونده ( یک الگوی تکرار شونده که بطور پیوسته در یک محیط کار می کند ) در طناب مشاهده نمی شود. در حقیقت در طناب موج های رونده وجود دارد اما به علت تداخل با یکدیگر این امواج به راحتی قابل تشخیص نیستند. در چنین مواردی، علاوه بر مشاهده الگوهای موج صرفا سینوسی، یک الگوی غیر تکرار شونده و نا منظم در طناب تولید می شود که منجر به تغییر شکل ظاهری در طول زمان می گردد. این شمای نا منظم، نتیجه تداخل یک الگوی موج سینوسی تابش شده با یک الگوی موج سینوسی بازتاب شده در طی یک رفتار غیر متوالی و نا به هنگام می باشد. هم الگوی موج تابشی و هم الگوی موج بازتابشی، به حرکت خود در محیط ادامه داده و به شکل های مختلف با یکدیگر در نقاط متفاوت مواجه می شوند. به طور مثال، در وسط طناب یک قله ممکن است با یک نیم قله مواجه شده در نتیجه در لحظات بعد، یک قله با ربع دره مواجه شده و سپس چند لحظه بعد سه چهارم قله با یک پنجم دره مواجه گشته و الی آخر. این تداخل منجر به یک حرکت بسیار نا منظم و تکرار ناپذیر در محیط می گردد. شمای یک الگوی واقعی موج را به سختی می توان از روی حرکات نامنظم هر مولکول تشخیص داد.

هر چند می توان در یک محیط یک موج محدود به فضای معین داشت و هنوز هم یک الگوی موج منظم ایجاد کرد که در آن حرکت محیط قابل تشخیص است. به طور مثال، اگر یک طناب ارتجاعی را از دو سر گرفته و با یک فرکانس صحیح آن را مرتعش کنیم، یک الگوی موج تولید می شود که تقریبا شکلی سینوسی داشته و در طول زمان تغییر می کند. الگوی موج تنها زمانی تولید می شود که یکی از دو سر طناب با یک فرکانس صحیح، مرتعش شود. هنگامی که فرکانس مناسب انتخاب گردد، تداخل بین موج تابشی و بازتابشی به گونه ای صورت می پذیرد که گویی نقاطی در محیط وجود دارند که به نظر می رسد بی حرکت باشند. از آنجا که الگوی موج مشاهده شده توسط نقاطی که به نظر بی حرکت هستند، مشخص می گردد، این الگو را اغلب الگوی موج ایستاده گویند. نقاط دیگری در محیط وجود دارند که جابجایی آنها در طول زمان به شکل منظمی تغییر می کند. این نقاط به سمت عقب و جلو مرتعش شده و از یک جابجایی مثبت به یک جابجایی منفی می روند؛ ارتعاش در فواصل زمانی منظم اتفاق می افتد به طوری که حرکت محیط نیز منظم و تکرار شونده است. می توانید الگوی زیر را مشاهده کنید.

شکل سمت راست یک الگوی موج ایستاده در محیط را نشان می دهد. یک تصویر لحظه ای از محیط در طول زمان با استفاده از رنگ های مختلف نشان داده شده است. توجه داشته باشید که در طول زمان نقطه A روی محیط،ا ز ماکزیمم جابه جایی مثبت به سمت ماکزیمم جابه جایی منفی حرکت می کند. شکل تنها نیم دوره از حرکت الگوی موج ایستاده را نشان می دهد. حرکت ادامه می یابد و نقطه A به ماکزیمم جابه جایی مثبت بازگشته و سپس به ارتعاش عقب - جلوی خود بین نقاط بالا و پایین ادامه می دهد. به خاطر داشته باشید که نقطه B  روی محیط، نقطه ای است که هرگز جابه جا نمی شود. نقطه B، نقطه ای است که هیچ گونه جابه جایی ندارد. چنین نقاطی را گره می نامیم و در بخش بعدی این درس مفصل تر درباره آن صحبت خواهیم کرد. الگوی موج ایستاده ای که در سمت راست نشان داده شده، تنها یکی از انواع الگوهایی است که می توان در یک طناب ایجاد کرد. درباره سایر الگوها در قسمت بعدی این درس، صحبت خواهیم کرد.

مرکز یادگیری  سایت تبیان