امواج سطحی (Surface Waves)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج سطحی (Surface Waves) :
امواج سطحی به امواجی گفته می شود که در امتداد سطح مشترک بین دو محیط مختلف (معمولا یک مایع و یک گاز، یا دو لایه با چگالی متفاوت) منتشر می شوند. ویژگی بارز آنها این است که ترکیبی از حرکات عرضی و طولی را در خود دارند و حرکت ذرات معمولا به صورت بیضوی یا دایره ای است. دامنه این امواج معمولا با افزایش عمق از سطح به سرعت کاهش می یابد و بیشتر انرژی آنها در نزدیکی سطح متمرکز است.
معروف ترین مثال امواج سطحی، امواج آب هستند. اما در فیزیک، امواج سطحی انواع دیگری نیز دارند، از جمله امواج ریلی و امواج عشق در زمین لرزه شناسی، و امواج سطحی در خطوط انتقال و فیبرهای نوری. در همه این موارد، موج در مرز دو محیط منتشر می شود و انرژی آن به سرعت با فاصله از سطح کاهش می یابد.
نظریه ریاضی امواج سطحی پیچیده تر از امواج حجمی (عرضی و طولی خالص) است. برای امواج آب، معادلات حاکم از دینامیک سیالات (معادلات اویلر یا ناویر-استوکس) با شرایط مرزی در سطح و کف استخراج می شوند. برای امواج با دامنه کوچک (امواج خطی)، می توان معادله ای برای پتانسیل سرعت به دست آورد. رابطه پاشندگی (پراکندگی) برای امواج آب در عمق متوسط به صورت زیر است:
\[ \omega^2 = g k \tanh(k h) \]که در آن
\[ \omega \]فرکانس زاویه ای،
\[ g \]شتاب گرانش،
\[ k \]عدد موج و
\[ h \]عمق آب است. این رابطه نشان می دهد که سرعت موج (
\[ v = \omega/k \]) به عمق آب و طول موج بستگی دارد.
در آب های عمیق (
\[ kh \gg 1 \])،
\[ \tanh(kh) \approx 1 \]و رابطه به
\[ \omega^2 = g k \]تبدیل می شود. بنابراین سرعت
\[ v = \sqrt{g/k} = \sqrt{g \lambda/(2\pi)} \]به طول موج بستگی دارد (موج های بلندتر سریع ترند). این پدیده پاشندگی نامیده می شود. در آب های کم عمق (
\[ kh \ll 1 \])،
\[ \tanh(kh) \approx kh \]و
\[ \omega^2 = g k^2 h \]، بنابراین سرعت
\[ v = \sqrt{g h} \]مستقل از طول موج است (غیرپاشنده). این تغییر رفتار با عمق، پیامدهای مهمی برای امواج نزدیک ساحل دارد.
یکی از ویژگی های مهم امواج سطحی، حرکت ذرات است. در یک موج آب در عمق متوسط، ذرات آب در مدارهای بیضوی حرکت می کنند. در نزدیکی سطح، مدارها دایره ای تر و با شعاع بزرگتر هستند. با افزایش عمق، شعاع مدارها به سرعت کاهش می یابد. در عمقی حدود نصف طول موج، حرکت ذرات ناچیز است. این کاهش سریع دامنه با عمق، وجه تمایز امواج سطحی است.
در زمین لرزه شناسی، امواج ریلی نوعی موج سطحی هستند که روی سطح زمین منتشر می شوند. حرکت زمین در این امواج شبیه حرکت آب در امواج سطحی است (حرکت غلتشی) و می تواند بسیار مخرب باشد. امواج عشق نیز نوع دیگری از امواج سطحی لرزه ای هستند که باعث برش افقی زمین می شوند. این امواج کندتر از امواج حجمی (P و S) حرکت می کنند، اما به دلیل دامنه بزرگ، خسارت زیادی وارد می کنند.
در فیزیک حالت جامد و اپتیک، پلاریتون های سطحی و امواج سطحی در بلورهای فوتونی نیز وجود دارند. این امواج در سطح مشترک بین دو ماده با خواص نوری متفاوت منتشر می شوند و کاربردهای مهمی در حسگرها و مدارهای نوری دارند. در همه این موارد، اصل اساسی یکسان است: موج به سطح مقید است و انرژی آن در جهت عمود بر سطح به شدت میرا می شود.
