تجربة “حوض التموّج” لمعرفة أنماط سلوك الموجات

2011 مكتبة الفيزياء خواص وسلوك الموجات

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

انعكاس الموجات انكسار الموجات حيود الموجات سلوك الموجات الفيزياء

الآن وقد عرفت الموجة وأقسامها المختلفة وكيفية تصنيفها، قد تتساءل عن كيفية السلوك الذي تتبعه الموجة بالضبط.

وعلى سبيل المثال ماذا يحدث خلال تجربة الحبل التي أجريناها عندما تصل الموجة إلى مقبض الباب؟ بعبارة أخرى، ماذا يحدث عندما تخرج الموجة من الوسط؟

يطلق على المكان الذي ينتهي عنده وسط ما ويبدأ وسط أخر اسم «الحد»، كما نصف سلوك الموجة عندما تصادف «حداً» بسلوك حدّ الموجة.

 

تخيّل لو أنك كنت عبارة عن موجة، وأنك تسير على الرصيف، وفجأة تصادف باباً يسد طريقك. كيف تتصرف؟ أمامك أحد ثلاثة خيارات: تستطيع العودة من حيث أتيت، أو تفتح الباب تسير عبره، أو تلتف حوله كي تبلغ الجانب الآخر.

عندما تصادف الموجة حداً فإنها تسلك أيضاً واحداً من هذه الخيارات الأساسية: إما أن ترتد عن «الحد»، أو تمرّ عبره أو تلتف حوله.

يطلق على ردود الفعل هذه، أو هذه الأنماط السلوكية اسم «الإنعكاس»، و «الإنكسار» و «الحيود».

 

كيف تصنع حوض التموج؟

هناك تجربة شائعة يمكننا تنفيذها أثناء حصة العلوم في المدرسة، أو في البيت كي نعرض من خلالها أنماط السلوك الذي تسلكه الموجة.

يطلق على هذه التجربة اسم «تجربة حوض التموّج»، ويمكننا بناء هذا الحوض باستخدام أوان منزلية بسيطة، أما المواد التي نحتاج إليها للقيام بهذه التجربة فهي:

(‌أ) صحن من زجاج البيركس المقاوم للحرارة حجمه التقريبي (10 × 16 بوصة) أي (25 × 41 سنتيمتراً)، من النوع الذي نستخدمه لصنع رقائق الكعك المحلى.

 

(ب) قطعة من الورق الأبيض أكبر حجماً بقليل من صحن البيركس الزجاجي، وإن لم تجد قطعة ورقية بهذا القياس بإمكانك وصل عدة قطع من ورق الطباعة قياس (11 × 8.5 بوصة) مع بعضها بعضاً بواسطة شريط لاصق.

 

(ج) قطعة خشبية قياسها حوالي (1 × 2 × 9 بوصة) أي: (2.5 × 5 × 23 سم) من أجل استخدامها كحاجز.

 

(د‌) قطّارة عينية أو قطّارة دوائية لإنتاج الموجات.

 

ضع قطعة الورق (أو الأوراق الموصولة مع بعضها) على طاولة المطبخ، ثم ضع صحن البيركس على القطعة الورقية. تأكد من وجود إنارة كافية لرؤية الصحن بشكل واضح.

واملأ بعد ذلك الصحن الزجاجي بالماء حتى النصف تقريباً، ثم ضع القطعة الخشبية داخل الصحن كحاجز، وحافظ على بقائها في مكانها أو ضع فوقها بعض الثقل لمنعها من الانزياح. بإمكانك الآن استخدام حوض التموّج.

 

الإنعكاس

عندما تخيلت نفسك بأنك موجة تصادف باباً في وسط الرصيف، تمثّل أحد الخيارات بأن ترتد عائداً من حيث أتيت. يصنّف هذا السلوك في دراسة الموجات بأنه «انعكاس».

لنعد الآن إلى تجربة الحبل مرة أخرى ونحدث حركة نبضية في الحبل عن طريق هزه بقوة مرة واحدة، سنلاحظ أن الحبل يتحرك نحو الأعلى والأسفل إلى أن يبلغ مقبض الباب ثم يعود إلى أصابعنا.

لقد انعكس جزء من الموجة عائداً عبر الحبل، لكن جزءاً أخر مرّ خلال مقبض الباب (يطلق على هذه الخاصية اسم «الانكسار»، الذي سنبحثه في موضع لاحق من هذا الفصل).

 

سنوضح الآن خاصية الانعكاس في حوض التموّج الذي قمنا ببنائه في المنزل، والذي تؤدي فيه قطعة الخشب دور الحاجز، ضع قطعة الخشب عند عرض الصحن البيركس، ثم استخدم بعض قطرات من قطّارة العين لإحداث الاضطراب.

سيتكوّن عدد قليل من الموجات في الماء، وعندما تصطدم الموجات بالحاجز الخشبي، ستلاحظ أنها سترتد عن قطعة الخشب وتتجه نحو نقطة الاضطراب الأولية. ما لاحظته كان تطبيقاً عملياً لانعكاس الموجة.

ويحدث الانعكاس عندما تنعكس الموجة أو ترتد إثر اصطدامها بحاجز، حيث تأخذ اتجاهاً مختلفاً. (كما يمكن للانعكاس أن يحدث عندما تمرّ الموجات عبر وسائط مختلفة الخواص، مثل الكثافة).

 

وهنالك قاعدة مهمة ينبغي علينا أن نتذكرها عند دراستنا للموجات المنعكسة، وهي أن زاوية اقتراب الموجة من الحاجز تكون دائماً مساوية للزاوية التي تنعكس فيها.

ويطلق على هذا المبدأ اسم «قانون الانعكاس»، ويطبّق هذا القانون بوجه عام على الموجات الضوئية التي تنعكس عن أحد السطوح.

 

الانكسار

تعلمنا أن الموجة تنعكس لدى ارتدادها عن الحدّ (أو الحاجز) وتنتقل في اتجاه مختلف عن اتجاهها الأصلي، وعند انكسار الموجة فإنها تغيّر اتجاهها أيضاً، غير أن الموجات المنكسرة، على عكس الموجات المنعكسة التي ترتد عن الحدّ (الحاجز)، تغير مسارها بعد عبور الحدّ (أي بعد أن تمر من وسط الى وسط آخر).

عندما تنكسر الموجة داخل وسط آخر مختلف، تتغير سرعتها وطولها الموجي، ويمكننا أن نأخذ «التسونامي» (المد البحري) مثالاً على هذا النوع من السلوك، إذ يبدأ «التسونامي» نتيجة اضطراب واسع النطاق يصيب أعماق البحر.

 

عندما ترتطم موجة «التسونامي» بمياه أكثر ضحالة، تغير مسارها وتتجه نحو الشاطئ، وفي تلك الأثناء تقل سرعة الأمواج وطولها الموجي، بينما تزيد سعتها.

ولكي نوضح الطريقة التي تغير فيها الموجة سرعتها لدى انكسارها بإمكاننا أن نستعين بحوض التموّج الذي قمنا ببنائه. نضع داخل هذا الحوض لوحٍ رقيق من الخشب أو البلاستيك بسماكة تتراوح بين (2 و 3 بوصة) تقريباً أي ( 5-8 سم).

 

وينبغي أن يكون هذا اللوح طويلاً وعريضاً كفاية كي يشغل ثلث الحوض، والفكرة هنا هي أن نجعل أحد طرفي الحوض أكثر ضحالة من الطرف الآخر.

ونقوم بإحداث موجات في الطرف العميق من الحوض عن طريق القطارة العينية، وعندما تصل هذه الموجات إلى الجزء الضحل من الحوض تتباطأ حركتها.

 

الحيود

عندما تخضع الموجة للحيود لا تمرّ من وسط إلى آخر أو ترتد عن الحدّ (الحاجز)، وبدلاً من ذلك تلتف موجة الحيود حول الحاجز الذي يعيق طريقها، وعندما تحيد الموجة فإن مستوى حيودها (أو العزم الذي تحتاج إليه كي تلتف حول الزاوية) إما أن يزيد أو ينقص مع طولها الموجي.

ومن أمثلة حيود الموجات الصوتية، الحالة التي تنشأ عندما تكون والدتك في المطبخ وأنت في الغرفة المجاورة فتصيح باتجاهك كي تنبهك بأن الطعام أصبح جاهزاً: لقد تعرض صوتها للحيود.

 

حيث تحيد موجة الصوت أو تنعكس عن الجدار الذي يفصل المطبخ عن الغرفة المجاورة، ثم تتابع سيرها نحو أذنيك.

ولكي نوضح عملية الحيود في حوض التموّج، نضع قطعتين خشبيتين في الماء ونترك فجوة صغيرة بينهما، وعندما نُحدِثُ اضطراباً عبر الماء عن طريق القطّارة تنتقل الموجات حول الحاجزين.

 

التداخل

افترض أن موجتين منفصلتين تقابلتا داخل الوسط نفسه، ماذا يحدث؟

على سبيل المثال عندما تقابل إحدى الموجات موجةً ثانية تسير باتجاه معاكس عبر الحبل في تجربتنا السابقة، تحدث ظاهرة نطلق عليها اسم «التداخل».

 

وهناك نوعان من التداخل: تداخل بنّاء وتداخل هدّام. تسبب قمم الموجتين وقيعانها في التداخل البنّاء من حيث الطور أو التزامن زيادة في سعة الموجة.

أما في التداخل الهدّام فتصبح قمة إحدى الموجتن على نسق واحد مع قاع الموجة الأخرى، ما يعني أن إزاحتهما تكون في الاتجاه المعاكس، وبالتالي تلغي الموجتان بعضهما بعضاً ويعود الوسط إلى وضع السكون.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]