موج در فنر (Wave in a Spring - Slinky)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
موج در فنر (Wave in a Spring - Slinky) :
موج در فنر (مخصوصا فنر اسلینکی) یک ابزار آموزشی عالی برای نمایش هر دو نوع موج عرضی و طولی است. فنر اسلینکی به دلیل انعطاف پذیری بالا و جرم کم، امکان مشاهده آسان امواج را فراهم می کند. برای نمایش امواج طولی، کافی است چند حلقه از فنر را در یک انتها به هم بفشارید (ایجاد تراکم) و سپس رها کنید. خواهید دید که این ناحیه فشرده در طول فنر حرکت می کند و به دنبال آن یک ناحیه کشیده (انبساط) حرکت می کند. این نواحی فشردگی و کشیدگی همان موج طولی هستند.
برای نمایش امواج عرضی در فنر، می توان انتهای فنر را به طور عمودی تکان داد. در این حالت، یک تپ عرضی در طول فنر حرکت می کند. فنر اسلینکی به دلیل ساختار مارپیچی خود می تواند هر دو نوع موج را به خوبی نشان دهد. نکته جالب این است که سرعت امواج عرضی و طولی در فنر معمولا متفاوت است و به کشش و جرم فنر بستگی دارد.
آزمایش معروف دیگر با فنر، نمایش بازتاب موج از انتهای ثابت و آزاد است. اگر انتهای فنر به یک نقطه ثابت بسته شده باشد، موج طولی یا عرضی پس از رسیدن به انتها با وارونگی فاز بازمی گردد. برای موج طولی، این بدان معناست که یک ناحیه فشرده به صورت یک ناحیه فشرده (یا با همان فاز) بازمی گردد؟ در واقع برای موج طولی، بازتاب از انتهای ثابت باعث می شود که جابجایی ذرات در نقطه ثابت صفر باشد و بنابراین تراکم با همان علامت بازمی گردد (چون مشتق جابجایی است که تعیین کننده تراکم است). برای موج عرضی، بازتاب از انتهای ثابت باعث وارونگی قله به دره می شود.
اگر انتهای فنر آزاد باشد (مثلا به یک حلقه سبک متصل باشد که روی میله لغزد)، موج بدون وارونگی فاز بازمی گردد. برای موج عرضی، این بدان معناست که یک قله به صورت قله بازمی گردد. این تفاوت در بازتاب به دلیل شرایط مرزی مختلف است: در انتهای ثابت، جابجایی صفر است؛ در انتهای آزاد، نیرو (و در نتیجه شیب) صفر است.
یکی دیگر از آزمایش های جذاب با فنر، ایجاد امواج ایستاده است. با تکان دادن متناوب فنر با فرکانس مناسب، می توان امواج ایستاده با گره ها و آنتی گره های مشخص ایجاد کرد. این امواج حاصل تداخل امواج رفت و برگشت هستند. فرکانس هایی که در آنها امواج ایستاده تشکیل می شوند، فرکانس های تشدید (طبیعی) فنر نامیده می شوند. این پدیده در تمام سیستم های نوسانی از جمله سازهای موسیقی و ساختمان ها دیده می شود.
تحلیل ریاضی موج در فنر با در نظر گرفتن فنر به عنوان یک محیط پیوسته با جرم و کشسانی توزیع شده انجام می شود. معادله موج برای فنر مشابه معادله موج برای طناب است، با این تفاوت که ثابت فنر معادل با کشش و چگالی خطی جرم تعریف می شود. برای فنر ایده آل، سرعت موج عرضی به کشش
\[ T \]و چگالی خطی
\[ \mu \]بستگی دارد:
\[ v = \sqrt{T/\mu} \]. برای موج طولی، سرعت به ثابت فنر موثر و چگالی خطی وابسته است.
فنر اسلینکی یک ابزار سرگرم کننده و آموزشی است که به دانش آموزان و دانشجویان کمک می کند مفاهیم انتزاعی امواج را به صورت عینی و قابل لمس درک کنند. از نمایش امواج تکی تا امواج ایستاده و بازتاب، همه را می توان به سادگی با این وسیله ساده نشان داد.
