الموجة الطولية

الموجات الطولية هي موجات تتذبذب في اتجاه موازٍ لاتجاه انتشار الموجة، ويكون إزاحة الوسط في نفس اتجاه انتشار الموجة (أو في الاتجاه المعاكس) . تُسمى الموجات الطولية الميكانيكية أيضًا موجات الضغط ، لأنها تُحدث انضغاطًا وتخلخلًا عند انتقالها عبر وسط ما، وتُسمى موجات الضغط ، لأنها تُحدث زيادات ونقصانًا في الضغط . يُمكن تشبيه ذلك بموجة على طول لعبة "سلينكي" مشدودة ، حيث تزداد المسافة بين لفاتها وتنقص. تشمل الأمثلة الواقعية الموجات الصوتية (اهتزازات الضغط، وإزاحة الجسيمات، وسرعة الجسيمات المنتشرة في وسط مرن ) وموجات P الزلزالية (الناتجة عن الزلازل والانفجارات).

أما النوع الرئيسي الآخر من الموجات فهو الموجة المستعرضة ، حيث تكون إزاحات الوسط عمودية على اتجاه الانتشار. تصف الموجات المستعرضة، على سبيل المثال، بعض موجات الصوت الحجمية في المواد الصلبة (ولكن ليس في السوائل )؛ وتُسمى هذه الموجات أيضًا " موجات القص " لتمييزها عن موجات الضغط (الطولية) التي تحملها هذه المواد أيضًا.

استخدم بعض المؤلفين اختصار "الموجات الطولية" و"الموجات المستعرضة" إلى "موجات L" و"موجات T" على التوالي، تسهيلاً للفهم. ^{[ 1 ]} وبينما يحمل هذان الاختصاران معاني محددة في علم الزلازل (موجة L تعني موجة لوف ^{[ 2 ]} أو الموجة الطويلة ^{[ 3 ]} ) وتخطيط كهربية القلب (انظر موجة T )، فقد اختار بعض المؤلفين استخدام "موجات ℓ" (حرف L صغير) و"موجات t" بدلاً من ذلك، على الرغم من أنهما غير شائعين في كتابات الفيزياء باستثناء بعض كتب العلوم الشعبية. ^{[ 4 ]}

بالنسبة للموجات الصوتية التوافقية الطولية، يمكن وصف التردد والطول الموجي بالصيغة التالية:

${\displaystyle \ y(x,t)=y_{\mathsf {o}}\cdot \cos \!{\Bigl (}\ \omega \cdot \left(t-{\tfrac {\ x\ }{c}}\right)\ {\Bigr )}\ }$

أين:

${\displaystyle \ y\ ~~}$ هو إزاحة النقطة على الموجة الصوتية المتحركة؛

${\displaystyle \ x\ ~~}$ هي المسافة من النقطة إلى مصدر الموجة؛

${\displaystyle \ t\ ~~}$ هو الوقت المنقضي؛

${\displaystyle \ y_{\mathsf {o}}\ }$ هي سعة التذبذبات،

${\displaystyle \ c\ ~~}$ هي سرعة الموجة؛ و

${\displaystyle \ \omega ~~}$ يمثل التردد الزاوي للموجة.

الكمية${\displaystyle \ {\frac {\ x\ }{c}}\ }$هو الوقت الذي تستغرقه الموجة لقطع المسافة${\displaystyle \ x~.}$

التردد العادي (${\displaystyle \ f\ }$) الموجة معطاة بواسطة

${\displaystyle f={\frac {\أوميغا }{\ 2\pi \ }}~.}$

يمكن حساب الطول الموجي كنسبة بين سرعة الموجة والتردد العادي.

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{\ f\ }}~.}$

بالنسبة للموجات الصوتية، فإن سعة الموجة هي الفرق بين ضغط الهواء غير المضطرب وأقصى ضغط ناتج عن الموجة.

تعتمد سرعة انتشار الصوت على نوع ودرجة حرارة وتركيب الوسط الذي ينتشر من خلاله.

يُشير توهين الموجة في وسط ما إلى فقدان الطاقة التي تحملها الموجة أثناء انتشارها في ذلك الوسط. ^{[ 5 ]} وينتج هذا التوهين عن تشتت الموجة عند الأسطح البينية، وفقدان الطاقة بسبب الاحتكاك بين الجزيئات، أو التباعد الهندسي. ^{[ 5 ]} وقد ازداد الاهتمام بدراسة توهين الموجات المرنة في المواد في السنوات الأخيرة، لا سيما في مجال دراسة المواد متعددة البلورات، حيث يهدف الباحثون إلى "تقييم درجة تلف المكونات الهندسية بطريقة غير مُتلفة" و"تطوير إجراءات مُحسّنة لتوصيف البنى المجهرية". ^{[ 6 ]}

تنطبق المعادلات المذكورة أعلاه للصوت في الموائع على الموجات الصوتية في المواد الصلبة المرنة. ورغم أن المواد الصلبة تدعم أيضاً الموجات المستعرضة (المعروفة بموجات S في علم الزلازل )، فإن الموجات الصوتية الطولية في المادة الصلبة توجد بسرعة ومعاوقة موجية تعتمد على كثافة المادة وصلابتها ، والتي تُوصف (كما هو الحال مع الصوت في الغاز) بمعامل المرونة الحجمية للمادة . ^{[ 11 ]}

في مايو 2022، أعلنت وكالة ناسا عن تحويل البيانات الفلكية المرتبطة بموجات الضغط إلى صوت (تحويل البيانات الفلكية المرتبطة بموجات الضغط إلى صوت ) للثقب الأسود الموجود في مركز عنقود مجرات برساوس . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تؤدي معادلات ماكسويل إلى التنبؤ بوجود موجات كهرومغناطيسية في الفراغ، وهي موجات مستعرضة تمامًا ؛ نظرًا لأنها تحتاج إلى جسيمات للاهتزاز عليها، فإن المجالين الكهربائي والمغناطيسي اللذين تتكون منهما الموجة يكونان عموديين على اتجاه انتشارها. ^{[ 14 ]} أما موجات البلازما فهي موجات طولية، لأنها ليست موجات كهرومغناطيسية بل موجات كثافة جسيمات مشحونة، ولكنها قادرة على الاقتران بالمجال الكهرومغناطيسي. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

بعد محاولات هيفسايد لتعميم معادلات ماكسويل، خلص إلى أن الموجات الكهرومغناطيسية لا توجد كموجات طولية في " الفضاء الحر " أو الأوساط المتجانسة. ^{[ 17 ]} وتؤكد معادلات ماكسويل، كما نفهمها الآن، هذا الاستنتاج: ففي الفضاء الحر أو غيره من المواد العازلة المتجانسة والمتساوية الخواص، تكون الموجات الكهرومغناطيسية مستعرضة تمامًا. ومع ذلك، يمكن أن تُظهر الموجات الكهرومغناطيسية مركبة طولية في المجالات الكهربائية و/أو المغناطيسية عند مرورها عبر مواد ثنائية الانكسار ، أو مواد غير متجانسة، خاصة عند الأسطح البينية (مثل الموجات السطحية) كموجات زينك . ^{[ 18 ]}

في مسيرة تطور الفيزياء الحديثة، اشتهر ألكسندرو بروكا (1897-1955) بتطويره معادلات المجال الكمومي النسبية التي تحمل اسمه (معادلات بروكا)، والتي تنطبق على الميزونات ذات الكتلة المتجهة ذات اللف المغزلي 1. في العقود الأخيرة، استخدم بعض المنظرين الآخرين، مثل جان بيير فيجيه وبو لينرت من الجمعية الملكية السويدية، معادلة بروكا في محاولة لإثبات أن كتلة الفوتون ^{[ 19 ]} هي المكون الكهرومغناطيسي الطولي لمعادلات ماكسويل، مما يشير إلى إمكانية وجود موجات كهرومغناطيسية طولية في فراغ مستقطب ديراك. مع ذلك، فإن كتلة سكون الفوتون محل شك كبير لدى معظم الفيزيائيين، وهي تتعارض مع النموذج القياسي للفيزياء.

• الموجة المستعرضة
• صوت
• الموجة الصوتية
• الموجة P
• موجات البلازما

• فارادان، في كي، وفاسوندرا في. فارادان ، " تشتت وانتشار الموجات المرنة ". التوهين الناتج عن تشتت الموجات فوق الصوتية الانضغاطية في الأوساط الحبيبية - إيه جيه ديفاني، إتش. ليفين، وتي. بلونا. آن أربور، ميشيغان، آن أربور ساينس، 1982.
• شاف، جون فان دير، جاب سي. سكوتن، وكور إم. فان دن بليك، " الملاحظة التجريبية لموجات الضغط في الأسطح المميعة بالغاز والمواد الصلبة ". المعهد الأمريكي للمهندسين الكيميائيين. نيويورك، نيويورك، 1997.
• كريشان، س.؛ سليم، أ.أ. (1968). "توليد الموجات المستعرضة عن طريق التفاعل غير الخطي بين الموجات". فيزياء البلازما . 10 (10): 931-937 . Bibcode : 1968PlPh...10..931K . doi : 10.1088/0032-1028/10/10/305 .
• بارو، دبليو إل (1936). "انتقال الموجات الكهرومغناطيسية في الأنابيب المعدنية المجوفة". وقائع معهد مهندسي الراديو . 24 (10): 1298-1328 . doi : 10.1109/JRPROC.1936.227357 . S2CID 32056359 . 
• راسل، دان، " حركة الموجات الطولية والمستعرضة ". رسوم متحركة صوتية، جامعة ولاية بنسلفانيا، برنامج الدراسات العليا في الصوتيات.
• الموجات الطولية، مع رسوم متحركة " فصل الفيزياء "