تُعتبر الموجة الصوتية مفهومًا تجريديًا، ولكن من خلال إجراء تجربة بسيطة وآمنة باستخدام أدوات ومواد قليلة، يمكننا فهم طبيعة الموجات. في هذا المقال، سنستعرض خصائص الموجات بالتفصيل.
مقدمة حول خصائص الموجات
عند إلقاء حصاة في بركة من الماء، يمكنك ملاحظة تحرك الماء بشكل موجي. تُعرف هذه الحركة بالحركة الموجية، حيث ترتفع المياه وتنخفض، وتتحرك إلى اليمين قليلاً وإلى اليسار قليلاً كذلك.
تتكرر هذه الحركة، مما يؤدي إلى تشكيل العديد من الأمواج، ولزيادة وضوح هذه الحركة، يمكنك إضافة كرة مجوفة خفيفة تطوف فوق سطح الماء. عند إلقاء الحصاة مرة أخرى، ستلاحظ أن الحركة تتزايد مقارنةً بالمرة السابقة.
على الرغم من وجود الأمواج التي تسببها الحصاة في البركة، إلا أن الكرة تبقى في مكانها الأصلي، حيث يعود الماء إلى النقطة التي بدأت منها الحركة، والتي تُعرف بنقطة الاستقرار. إذا تحركت الكرة من مكانها، يكون ذلك نتيجة اكتسابها الطاقة الحركية الناتجة عن الموجات.
خصائص الموجات
تتعدد الخصائص التي تميز الموجات عن بعضها البعض، مما يساعدنا على وصف طاقتها، سواء كانت في حالة ارتفاع أو انخفاض. هذه الخصائص تشمل:
طول الموجة
- هو المسافة بين قمة موجة وأخرى متتالية، أو بين قاع موجة وقاع آخر في حالة الموجات المستعرضة. أما في الموجات الطولية، فطول الموجة يُقاس كالمسافة بين تضاغط وتضاغط آخر.
- يتم قياس طول الموجة بوحدات الطول مثل المتر، وفقًا للنظام العالمي للوحدات.
الزمن الدوري
- هو الزمن اللازم لعبور موجة ما لنقطة معينة، ويقاس بالثواني.
تردد الموجة
- يعبر عن عدد التكرارات التي تحدثها الموجة في وحدة الزمن، ويرتبط تردد الموجة بطولها وسرعتها وفقًا للعلاقة التالية:
- سرعة انتشار الموجة = تردد الموجة × طول الموجة.
ونلاحظ من هذه المعادلة أن تردد الموجة يتناسب عكسيًا مع طولها؛ أي كلما زاد طول الموجة، قل ترددها. وحدة قياس التردد هي الهيرتز، التي تعبر عن عدد الدورات في الثانية.
سعة الموجة
- تؤثر سعة الموجة على كمية الطاقة التي تحملها، فطاقة الموجة تتناسب طرديًا مع سعتها. السعة هي المسافة بين القمة أو القاع ومستوى الصفر.
- مستوى الصفر هو المستوى المتوازن لحركة الموجات، ويتم قياس السعة أيضًا بوحدات الطول.
سرعة انتشار الموجة
تعبر عن سرعة انتقال الموجة في الفراغ أو في أي وسط ناقل. يمكن القول إنها سرعة إعادة توليد الموجة نفسها، ويتم قياسها باستخدام وحدات السرعة، وهي المتر/الثانية.
الطاقة الموجية
- تعتبر طاقة الموجة من أهم الخصائص التي تُميز الموجات، حيث يتمكن العلماء من خلالها من تحديد الطاقة المنتقلة من الموجة إلى غيرها من الكائنات.
- تتناسب هذه الطاقة الناتجة أيضًا مع مربع التردد ومربع السعة وسرعة الموجة.
أنواع الموجات
يمكن تصنيف الموجات بناءً على اتجاه انتشارها وما إذا كانت بحاجة إلى وسط للنقل أم لا. وفيما يلي توضيح لكل نوع:
تصنيف الموجات بناءً على اتجاه انتشارها
تنقسم الموجات إلى نوعين رئيسيين: الأمواج الطولية والأمواج المستعرضة:
الموجة الطولية
تتكون من تضاغط واحد وتخلخل واحد، على سبيل المثال، في الموجة الصوتية، يحدث تضاغط للجزيئات الهوائية عندما تتقارب، بينما يحدث التخلخل عندما تبتعد الجزيئات.
الموجة المستعرضة
تتكون من قمة وقاع، كمثال، إذا أخذنا موجة من الماء، تظهر كارتفاع وانخفاض في مستوى الماء، مما يسمى “القمة والقاع”.
تتحرك الموجة الطولية في نفس اتجاه الحركة، بينما تنتشر الموجة المستعرضة بشكل عمودي على حركة الموجة.
بالإضافة إلى ذلك، هنالك نوع آخر يعرف بالموجات السطحية، والتي تتحرك بشكل دائري على سطح الوسط وتتلاشى كلما اتجهنا إلى عمق الوسط.
تصنيف الموجات بناءً على الوسط
يمكن تقسيم الموجات إلى نوعين: النوع الذي يحتاج إلى وسط للنقل والنوع الذي يمكنه الانتقال في الفراغ، والذي يُعرف بأمواج كهرومغناطيسية.
الأمواج الكهرومغناطيسية لا تحتاج إلى وسط، وهي تنقل الطاقة من نقطة إلى أخرى، مثل الضوء المرئي الذي ينبعث من الشمس ويعبر الفراغ ليصل إلى الأرض.
أما النوع الآخر الذي يتطلب وجود وسط لنقل الطاقة، فهو ما يُعرف بالأمواج الميكانيكية، مثل الأمواج الصوتية.
