امواج بر اساس رفتار در محیط های محدود، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج بر اساس رفتار در محیط های محدود :
امواج در محیط های محدود (Waves in Bounded Media) به امواجی گفته می شود که در محیطی با مرزهای مشخص (مانند طناب با دو سر ثابت، ستون هوا در لوله، حفره تشدید، یا موجبر) منتشر می شوند. حضور مرزها باعث می شود که موج با آنها برهم کنش داشته باشد (بازتاب، عبور، جذب) و در نتیجه رفتار آن با محیط نامحدود متفاوت باشد. مهم ترین پیامد محدودیت محیط، تشکیل امواج ایستاده (Standing Waves) و کوانتیده شدن فرکانس های مجاز (پدیده تشدید) است. این پدیده ها در طیف وسیعی از سیستم های فیزیکی، از سازهای موسیقی گرفته تا لیزرها و مدارهای الکترونیکی، نقش اساسی دارند.
شرط مرزی (Boundary Conditions): برای تعیین رفتار موج در یک محیط محدود، باید شرایط مرزی را اعمال کرد. شرایط مرزی بسته به ماهیت موج و نوع مرز متفاوت است. برای مثال: - در یک طناب با دو سر ثابت، شرط مرزی این است که جابجایی در هر دو سر همواره صفر باشد. - در یک لوله صوتی با دو سر باز، شرط مرزی این است که فشار در دو سر برابر فشار محیط باشد (آنتی گره فشار). - در یک لوله با یک سر بسته و یک سر باز، شرط مرزی ترکیبی است. این شرایط تعیین می کنند که چه فرکانس هایی (مدهای طبیعی) می توانند در محیط به صورت امواج ایستاده پایدار باقی بمانند.
کوانتیده شدن فرکانس ها: در یک محیط محدود، فقط امواجی با طول موج های خاص می توانند پایدار باشند. دلیل آن این است که پس از بازتاب های متوالی از مرزها، فقط امواجی که با خودشان تداخل سازنده دارند، تقویت می شوند و بقیه محو می شوند. این فرکانس های مجاز، فرکانس های تشدید (Resonant frequencies) یا مدهای طبیعی (Normal modes) سیستم نامیده می شوند. آنها معمولا مضارب صحیح یک فرکانس پایه (Fundamental) هستند، اگرچه در سیستم های پیچیده تر ممکن است چنین نباشند.
اهمیت و کاربردها: 1. سازهای موسیقی: صدا در سازهای زهی (تارها) و بادی (ستون هوا) توسط تشدید امواج ایستاده تولید می شود. فرکانس های تشدید، نت های قابل تولید توسط ساز را تعیین می کنند. 2. لیزرها و حفره های نوری (Optical Cavities): در لیزر، نور بین دو آینه (یک حفره نوری) محبوس می شود. فقط امواج ایستاده با فرکانس های خاص (مدهای طولی حفره) می توانند در حفره تقویت شوند و لیزر تولید کنند. 3. مدارهای الکترونیکی: در مدارهای LC، نوسانات الکتریکی با فرکانس تشدید مدار رخ می دهند. 4. موجبرها (Waveguides): امواج الکترومغناطیسی یا صوتی درون موجبرها (لوله های فلزی یا دی الکتریک) فقط به صورت مدهای خاصی (با الگوهای میدانی مشخص) می توانند منتشر شوند. 5. آکوستیک اتاق: در یک اتاق، امواج صوتی بین دیوارها بازتابیده می شوند و مدهای تشدید اتاق (که به اندازه و شکل آن بستگی دارد) کیفیت صدا (طنین) را تعیین می کنند.
