امواج طولی مکانیکی (Mechanical Longitudinal Waves)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج طولی مکانیکی (Mechanical Longitudinal Waves) :
امواج طولی مکانیکی به امواجی گفته می شود که در آنها جهت نوسان ذرات محیط با جهت حرکت موج هم جهت است. یعنی اگر موج به سمت راست برود، ذرات نیز به سمت راست و چپ (در امتداد همان خط) به نوسان درمی آیند. این نوع نوسان باعث ایجاد نواحی با چگالی بیشتر (تراکم یا فشردگی) و نواحی با چگالی کمتر (انبساط یا کشیدگی) در محیط می شود. موج با حرکت خود، این نواحی تراکم و انبساط را جابه جا می کند.
برخلاف امواج عرضی که عمدتا در جامدات منتشر می شوند، امواج طولی می توانند در تمام محیط های مادی (جامد، مایع و گاز) منتشر شوند. دلیل آن این است که در همه این محیط ها، ذرات می توانند در راستای انتشار موج به یکدیگر نیرو وارد کرده و انرژی را منتقل کنند. در مایعات و گازها، این انتقال از طریق فشار (نیروی عمود بر سطح) صورت می گیرد، در حالی که در جامدات، هم نیروهای عمودی و هم نیروهای برشی وجود دارند.
بهترین مثال برای موج طولی مکانیکی، موج صوتی در هوا است. وقتی صحبت می کنیم، تارهای صوتی ما به نوسان درمی آیند و به مولکول های هوای اطراف خود ضربه می زنند. این مولکول ها به مولکول های بعدی برخورد کرده و ناحیه ای از تراکم (فشار بیشتر) ایجاد می کنند. سپس مولکول ها به جای اولیه خود بازگشته و ناحیه ای با فشار کمتر (انبساط) پدید می آورند. این توالی تراکم و انبساط به صورت یک موج در هوا منتشر می شود. سرعت این موج در هوا حدود ۳۴۳ متر بر ثانیه است.
برای نمایش بصری امواج طولی، می توان از یک فنر نرم و بلند (اسلینکی) استفاده کرد. اگر چند حلقه از فنر را در یک انتها به هم بفشارید و رها کنید، یک ناحیه فشرده در طول فنر حرکت می کند. به دنبال آن، یک ناحیه کشیده نیز حرکت می کند. این نواحی فشردگی و کشیدگی همان موج طولی هستند. حلقه های فنر در راستای خود فنر به جلو و عقب نوسان می کنند. اگر یک نشانگر رنگی روی یکی از حلقه ها ببندید، می بینید که وقتی موج از کنار آن عبور می کند، حلقه کمی به جلو و عقب می رود، اما در نهایت به همان نقطه اولیه بازمی گردد.
معادله حاکم بر امواج طولی در یک محیط یک بعدی (مانند میله) مشابه معادله موج عرضی است، با این تفاوت که متغیر جابجایی در جهت انتشار است. برای یک موج طولی با جابجایی
\[ u(x,t) \]در راستای
\[ x \]، معادله به صورت زیر است:
\[ \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = \frac{1}{v^2} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} \]که
\[ v \]سرعت موج است. سرعت امواج طولی در یک میله نازک به مدول یانگ
\[ Y \]و چگالی
\[ \rho \]بستگی دارد:
\[ v = \sqrt{Y/\rho} \]. در یک سیال، سرعت به مدول حجمی
\[ K \]و چگالی بستگی دارد:
\[ v = \sqrt{K/\rho} \].
امواج طولی کاربردهای فراوانی دارند. صوت مهم ترین کاربرد آن است. امواج فراصوت (با فرکانس بالای ۲۰ کیلوهرتز) در پزشکی برای تصویربرداری سونوگرافی و در صنعت برای آزمایش های غیرمخرب استفاده می شوند. امواج P لرزه ای (امواج نخستین) که در زلزله ایجاد می شوند، از نوع طولی هستند و سریع ترین امواج لرزه ای محسوب می شوند. در مهندسی، تحلیل امواج طولی در میله ها و ستون ها برای بررسی کمانش و ارتعاشات ضروری است.
