امواج مویینگی (Capillary Waves / Ripples)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج مویینگی (Capillary Waves / Ripples) :
امواج مویینگی یا ریپل ها، امواج سطحی بسیار کوچکی هستند که روی سطح مایعات ایجاد می شوند و نیروی بازگرداننده اصلی آن ها کشش سطحی مایع است، نه گرانش. وقتی یک قطره باران روی سطح آب می افتد یا یک حشره ریز روی آب حرکت می کند، این امواج ریز را می توان مشاهده کرد. طول موج این امواج معمولا کمتر از چند سانتی متر است. کشش سطحی تمایل دارد سطح مایع را به حداقل ممکن برساند و در نتیجه به عنوان یک نیروی بازگرداننده برای موج های بسیار ریز عمل می کند.
فیزیک کشش سطحی: کشش سطحی نتیجه نیروهای چسبندگی بین مولکول های مایع است. مولکول های درون مایع از هر طرف توسط مولکول های دیگر احاطه شده اند، اما مولکول های سطح فقط از پایین و طرفین جذب می شوند. این عدم تعادل نیرو باعث می شود سطح مایع مانند یک غشای کشسان عمل کند. کشش سطحی
\[ \gamma \]بر حسب نیرو بر طول (N/m) یا انرژی بر سطح (J/m²) اندازه گیری می شود. برای آب در دمای اتاق،
\[ \gamma \approx 0.072 \]N/m است. این نیروی کوچک برای امواج با انحنای زیاد (طول موج کوتاه) غالب می شود.
رابطه پاشندگی امواج مویینگی-گرانی: در حالت کلی، هم گرانش و هم کشش سطحی در امواج سطحی نقش دارند. رابطه پاشندگی کامل به صورت زیر است:
\[ \omega^2 = \left(gk + \frac{\gamma}{\rho} k^3\right) \tanh(kh) \]جمله اول (
\[ gk \]) ناشی از گرانش و جمله دوم (
\[ \frac{\gamma}{\rho} k^3 \]) ناشی از کشش سطحی است. برای طول موج های بلند (
\[ k \]کوچک)، جمله گرانش غالب است. برای طول موج های کوتاه (
\[ k \]بزرگ)، جمله کشش سطحی غالب می شود. طول موجی که در آن این دو جمله برابرند، طول موج بحرانی نامیده می شود. برای آب تمیز، این طول موج حدود ۱.۷ سانتی متر است. برای طول موج های کوتاه تر از آن، امواج مویینگی غالب هستند.
ویژگی های امواج مویینگی: برخلاف امواج گرانی که سرعت فاز با افزایش طول موج افزایش می یابد، در امواج مویینگی خالص (غیر از گرانی) سرعت فاز با کاهش طول موج افزایش می یابد. یعنی موج های ریزتر سریع تر حرکت می کنند. این رفتار پاشندگی معکوس از رابطه
\[ \omega^2 = (\gamma/\rho) k^3 \]و
\[ v_p = \omega/k = \sqrt{\gamma k / \rho} \]نتیجه می شود. همچنین امواج مویینگی بسیار سریع تر از امواج گرانی با همان طول موج مستهلک می شوند (میرایی بالاتر) زیرا ویسکوزیته مایع تأثیر بیشتری روی آنها دارد.
نقش در طبیعت: امواج مویینگی اولین مرحله در شکل گیری امواج باد هستند. وقتی باد شروع به وزیدن می کند، ابتدا این ریپل های ریز ایجاد می شوند. این ریپل ها سطح آب را زبرتر می کنند و اجازه می دهند باد انرژی بیشتری به آب منتقل کند و امواج بزرگ تری ایجاد شوند. بنابراین، بدون امواج مویینگی، امواج دریا هرگز شکل نمی گرفتند. همچنین برخی حشرات مانند آب رون ها (Water Striders) از امواج مویینگی تولید شده توسط حرکت خود برای برقراری ارتباط و یافتن طعمه استفاده می کنند.
کاربردها: امواج مویینگی در علوم مختلف کاربرد دارند. در فیزیک، مطالعه آنها به درک خواص سطحی مایعات و دینامیک سیالات کمک می کند. در مهندسی شیمی، در طراحی فرآیندهای انتقال جرم و حرارت در سطوح مشترک مؤثرند. در اپتیک، از امواج مویینگی در برخی حسگرهای نوری استفاده می شود. در اقیانوس شناسی، سنجش از دور امواج مویینگی با رادارهای دریایی برای اندازه گیری کشش سطحی و آلودگی های نفتی (که کشش سطحی را تغییر می دهند) کاربرد دارد. نفت روی آب، امواج مویینگی را مستهلک می کند و این اثر قابل تشخیص است.
