فيز الموجات

[هيثم الفقى]

المـوجـات
المـوجـات حركات تحمل الطاقة، وليس المادة، من مكان إلى آخر. ويمكن إثبات أن الموجات تحمل الطاقة، وليست المادة، من مكان إلى آخر بتجربة يسيرة. فإذا جعلنا ولدين يمسك كل منهما بطرف حبل، وقام أحدهما بتحريك الطرف الذي يمسك به إلى أعلى ثم إلى أسفل بشدة، فإن الطاقة تمر من جزء من الحبل إلى الجزء التالي كموجة. ويصبح كل جزء من الحبل في حالة حركة مع مرور الموجة، ولكن الحبل نفسه لا يتحرك إلى الأمام مع الموجة. وسوف يشعر الولد الذي يمسك بالطرف الآخر بالطاقة التي تنقلها الموجة والتي تحاول تحريك يده.

في التجربة الثانية، دع ولداً يرمي بكرة إلى آخر. سيشعر متلقي الكرة ببعض الطاقة التي استخدمت في قذف الكرة. ولكن على عكس حالة الحبل فإن المادة، وهي الكرة، قد أنتقلت من مكان إلى آخر. فالكرة بتحركها تنقل طاقة معها.

وموجات الحبل أو الماء نماذج معروفة للموجات، ولكن هناك الكثير من الموجات التي تتحرك حولنا طوال الوقت. فعلى سبيل المثال، ينتقل صوت أناس يتكلمون إلى آذاننا على هيئة موجات، وكذلك تنتقل برامج الإذاعة والتلفاز إلى بيوتنا على هيئة موجات.

تنتقل أنواع كثيرة من الموجات فوق وداخل المواد. ويسمى العلماء المادة التي تنتقل خلالها الموجات وسطاً موجياً. ففي حالة موجات الحبل يسمى الحبل وسط الموجة. وتنتقل موجات المحيط على سطح الماء، بينما تنتقل موجات الزلازل خلال الأرض. ولا تحتاج بعض الموجات إلى وسط مادي لتنتقل خلاله. فالموجات الكهرومغنطيسية مثلاً - وهي تشمل موجات الحرارة والضوء والراديو – تستطيع أن تنتقل خلال الفراغ. ووسط هذه الموجات هو المجال الكهرومغنيطيسي (منطقة تحتوي على خطوط قوة).

مميزات الموجـات
تنتج الموجات عندما يسبب شيء إضطراباً في وسط ما. فإذا سقطت صخرة مثلاً على بحيرة ساكنة فإنها تسبب حدوث موجات متحركة. وتسمى الصخرة في هذه الحالة مصدر الموجات. وعندما تقوم أنت بتحريك طرف حبل، فإنك تصبح بذلك مصدر الموجات التي تنتقل بواسطة الحبل. وإذا حركة الحبل إلى أعلى ثم إلى أسفل فإنك تتحدث موجات كبيرة. ويسمى العلماء الجزء الأعلى من أي موجة الذروة أو القمة، والجزء الأسفل من الموجة القاع. ويطلق على إرتفاع القمة عن مستوى الحبل عندما يكون في حالة سكون مصطلح الاتساع. كذلك يمكن قياس الاتساع من القاع إلى مستوى الحبل الساكن.
وبتحريك الطرف الحر من الحبل إلى أعلى وأسفل بسرعة أكبر فإنك تنتج موجات أكثر على الحبل. أي أنك قد زدت تردد الموجات؛ لأن عدداً أكبر من الموجات يمر بنفس النقطة في ثانية واحدة. ولكن مهما كانت السرعة التي تحرك بها الحبل إلى أعلى أو إلى أسفل، ومهما كان مقدار الارتفاع أو الانخفاض في الطرف الحر للحبل، فإن سرعة انتقال الموجات عبر الحبل تظل ثابتة. ولا تعتمد سرعة الموجات عبر الحبل تظل ثابتة. ولا تعتمد سرعة الموجات على الاتساع أو التردد، ولكنها تعتمد فقط على صلابة وكثافة (أي كتلة وحدة الحجم) الوسط. فعلى سبيل المثال، تكون للحبل المشدود سرعة موجات أعلى من تلك التي تنتج عبر حبل مرتخ. وتكون سرعة انتقال الموجات عبر حبل خفيف قليل الكثافة، له درجة شد معينة، أعلى من سرعة انتقالها عبر حبل ثقيل له نفس درجة الشد.

وعندما تقوم بزيادة تردد الموجات فإنك تقوم أيضاً بتقصير المسافة بين قمتين أو قاعتين. ويسمى العلماء هذه المسافة الطول الموجي. ونستطيع إيجاد الطول الموجي بقسمة التردد على سرعة الموجة. ويسمى تردد الموجات الصوتية طبقة الصوت. ويمكن رفع طبقة الصوت الموسيقية الناتجة عن آلة وترية بإحكام أو تقصير الوتر. وتكون الأوتار المصممة لإنتاج ترددات منخفضة أكثر ثقلاً وأطول وأقل إحكاماً في الشد من تلك المصممة لإنتاج ترددات أعلى.

الحـركـة الموجيـة
عندما تتحرك موجة عبر وسط ما فهناك في الواقع حركتان جديرتان بالملاحظة. الأولى هي حركة الموجة والثانية هي حركة الوسط نفسه.

الموجـات المستعرضة
تحرك هذه الموجات الوسط إلى أعلى وأسفل، بينما تنتقل الموجة بطول الوسط. وتسمى الموجات التي تتحرك بهذا النمط بالموجات المستعرضة، لأن حركة الوسط الناتجة تكون عمودية على اتجاه حركة معظم الموجات تشبه التلال والسهول. للعلماء مصطلحات متباينة لوصف الموجات فيطلقون على التلال القمم وعلى السهول القيعان. والاتساع هو الكيفية التي يرتفع بها الوسط الحامل للموجة أو ينخفض من موقعه العادي. والطول الموجي هو المسافة بين نقطتين متناظرتنين على موجتين متجاورتين.

الموجات المستعرضة
تسبب حركة جسيمات الوسط إلى أعلى وإلى أسفل، بينما تتحرك الموجة إلى الأمام. فعندما تتحرك موجة مفردة بعيداً عن الولد المبين في الشكل الثاني فإن القمة تنتقل من النقطة أ إلى النقطة ب ثم إلى النقطة ج. ولكن النقاط الثلاث نفسها لا تنتقل عبر الحبل.

الموجات الواقفة لا تتحرك عبر الوسط، ولكنها تهتز على هيئة عدد صحيح من العروات، ولإنتاج عروتين مثلاً يقوم الولد بإحداث موجة بطول موجي يساوي طول الحبل نفسه بينما يثبت طرف الحبل الآخر. تتحرك النقطتان أ، ج ولكن النقطة ب الموجودة بينهما تظل ساكنة.

الموجات الطولية
وتسمى أيضاً الموجات الانضغاطية، تسبب تحرك جسيمات الوسط إلى الأمام وإلى الخلف. وعلى عكس الموجات المستعرضة فإن الجسيمات تتحرك في أتجاه حركة الموجات المستعرضة فإن الجسيمات تتحرك في اتجاه حركة الموجات وليس عمودياً عليه. فإذا اسقبلت نهاية زنبرك مشدود دفعة قوية فإن موجة طولية تنتقل عبر الزنبرك. وتحرك الموجة حلقات الزنبرك لتتقارب أكثر بعضا مع بعض. وعندما ينتهي مرور الموجة تعود الحلقات إلى وضعها الأصلي متباعدة كما كانت.

الموجات؛ فموجات الحبل، على سبيل المثال، موجات مستعرضة. ومن الأمثلة الأخرى لذلك، الموجات الكهرومغنطيسية مثل الضوء، وكذلك موجات الماء. وإذا ما تحرك الحبل رأسياً أو أفقياً يقال أن للموجات استقطابا رأسياً وأفقياً؛ أي أن الوسط يهتز في اتجاه واحد فقط. والموجات المستعرضة هي الموجات الوحيدة ذات الاستقطاب.

الموجات الطولية. وتسمى أيضاً الموجات الانضغاطية وتنتقل في نفس أتجاه حركة الوسط. وتنشأ مثل هذه الموجات مثلاً في زنبرك مشدود عند ضغط بضع لفات من الزنبرك عند أحد طرفيه ثم إطلاقه مرة أخرى. وتعد الموجات الصوتية وكذلك موجات بعض الزلازل موجات طولية.

الموجات المسافرة والموجات الواقفة. في الأمثلة السابقة الخاصة بالموجات الناشئة عن تحريك طرف حبل، تنتقل الموجات من طرف إلى آخر. وتسمى هذه الموجات الموجات المسافرة. ولكن في بعض الحالات تصبح الموجات أسيرة لوسط معين. فإذا أمسك خيط من طرفيه ثم دفع بقوة فإن طاقة الموجات الناشئة لا تستطيع مغادرة الخيط. وينشأ هذا الوضع عن نمط موجي يسمى الموجات الواقفة، ويحدد حجم الفراغ الذي يحتوي على مثل هذه الموجات الطول الموجي. وتوجد الموجات الواقفة على بعض السطوح كرأس الطبلة أو داخل فراغ مغلق مثل حجرة ما. وفي كل الحالات يحدد الطول الموجي بحجم الوسط.
منقول