1. مراقبة تراكب وانعكاس النبضات الزلزة
2. قياس تواتر الأمواج الدائمة على زنبرك
الموجات الدائمة ، أو الموجات الثابتة ، هي موجات يبدو أنها لا تنتشر وتكون أكثر وضوحا في الاهتزاز. على سبيل المثال ، عندما يتم نتف سلسلة مشدودة ، يبدو أن الموجات الناتجة تهتز لأعلى ولأسفل ، بدون حركة خطية. يتم إنتاجها في الواقع عن طريق تداخل موجتين تتحركان في اتجاهين متعاكسين ، بنفس التردد والسعة.
هذه الحركة المتذبذبة ذات التردد الدوري هي مثال على الحركة التوافقية البسيطة. تحدث الحركة لأن الخيط له قوة استعادة تتناسب مع الإزاحة الأولية. تم تقديم هذه العلاقة بين استعادة القوة والنزوح من خلال قانون هوك - موضح بالتفصيل في فيديو آخر لتعليم العلوم JoVE. هذا يعني بشكل أساسي أنه كلما تم سحب شيء ما أصعب ، مثل لقطة الرافعة هذه ، زادت قوة دفعه للخلف.
في هذا الفيديو ، سننشئ موجات ثابتة باستخدام slinky ، ونستكشف الفيزياء الكامنة وراء الحركة التوافقية البسيطة وتطبيقاتها.
قبل أن نبدأ العرض التوضيحي في المختبر ، دعنا نتعلم المزيد عن الموجات الدائمة والحركة التوافقية البسيطة. يتم تعريف الموجة من خلال طولها الموجي ، لامدا - المسافة بين قمتين ، وترددها ، f - عدد تكرارات القمم في الوحدة الزمنية ، والسعة هي المسافة من القمة إلى القاع. عندما تصل موجتان إلى نفس النقطة في المسار ، في نفس الوقت ، تتداخلان. سعة الموجة الناتجة هي مجموع اتساع الموجتين.
يحدث التداخل البناء عندما تكون اتساع الموجات في طور ، وتضاف. يحدث التداخل المدمر عندما تكون الموجات خارج الطور ، وتطرح السعة.
خذ على سبيل المثال نبضة على سلسلة محدودة. من الناحية المثالية ، عندما يلتقي نبض السفر بالحدود ، فإنه ينعكس. الآن دعونا نرسل موجة أسفل السلسلة ، ونتركها تنعكس ذهابا وإيابا لفترة طويلة من الزمن. يخلق هذا الإجراء نمطا ثابتا أو موجة ثابتة.
نقاط الحد الأدنى للسعة ، والتي تسمى العقد ، هي المكان الذي يكون فيه للموجات أطوار معاكسة وتلغي بعضها البعض. نقاط السعة القصوى ، أو العقد المضادة ، هي النقاط التي يكون فيها للموجات نفس الطور وتتجمع سعتها. تحدث أبسط موجة دائمة عندما يكون الطول الموجي ضعف طول السلسلة.
تحتوي الموجة الدائمة المحتملة التالية على عقدة في الوسط ، والطول الموجي يساوي طول السلسلة. إذا واصلنا إضافة العقد ، فإننا نخلق موجات ذات أطوال موجية أقصر وأقصر. تسمى هذه الأنماط التوافقيات ، حيث يعطي عدد العقد المضادة ، المشار إليها بالحرف n ، موجة التوافقية n. إذن، إذا كانت الموجة تحتوي على أربعة عقد مضادة، فإن الموجة هي التوافقية الرابعة.
بناء على العلاقة بين الطول الموجي وطول سلسلة كل توافقي ، يمكننا اشتقاق صيغة تتعلق بهذه الحدود الثلاثة ونقول إن لامدا للموجة التوافقية التوافقية n تساوي ضعف طول الوتر مقسوما على n.
نظرا لأن 2L هو الطول الموجي للتوافقي الأول ، فإن الطول الموجي لكل توافقي هو Λ1 مقسوما على n. نعلم الآن أن Λ و f لهما علاقة عكسية. ومن ثم، يمكننا أن نستنتج أن تردد كل توافقي سيكون المضاعف n للتوافقي الأول، أو نسبة التردد إلى تردد النواتج التوافقية الأولى n. لاحظ أن التوافقي الأول يعرف أيضا باسم التردد الأساسي لتلك السلسلة.
والآن بعد أن ناقشنا أساسيات التوافقيات البسيطة، دعونا نلق نظرة على كيفية عمل موجات ثابتة باستخدام موجات متوقفة، وكيفية قياس تردد الموجات الثابتة.
أولا ، قم بتمديد زنبرك صلب أو فولاذي بالطول عبر الأرض مع إمساك شخص واحد بكل طرف. استخدم الشريط اللاصق لتمييز حاججين طوليين ، كل منهما على بعد قدم واحدة تقريبا من منتصف الشريط الصغير ، على كل جانب.
أيضا ، أضف حواجز طولية على بعد قدمين من منتصف slinky على كل جانب.
تناوب على إطلاق نبضات الموجة عن طريق تحريك الضربة الموجية لمسافة صغيرة أفقيا ، ثم إعادتها على الفور إلى نقطة البداية. تأكد من بقاء السعات داخل الحواجز المحددة.
بعد ذلك ، قم بإطلاق نبضات متطابقة بنفس القطبية في وقت واحد ، ولاحظ ما يحدث عندما تلتقي النبضات. يجب أن تتضاعف الموجة المتراكبة في السعة ، وتعبر الحواجز المسجلة الأولى وتضرب الحواجز المسجلة الثانية.
الآن ، قم بإطلاق نبضات متطابقة في وقت واحد بقطبية معاكسة. يجب أن تلغي النبضات بعضها البعض أثناء تراكبها وتستمر في السفر. يجب ألا يصلون أبدا إلى الحواجز.
أخيرا ، قم بإصلاح أحد طرفيه عن طريق تثبيته بإحكام في موضعه. أرسل نبضة واحدة إلى الموضع الثابت ، وراقب سعة الموجات كما تنعكس. سوف ينعكس مرة أخرى مع قطبية معاكسة.
الآن دعونا نلقي نظرة على كيفية قياس تردد الموجات الثابتة. قم بتمديد slinky عبر الغرفة مرة أخرى ، وقم بقياس الطول الممتد.
مع تثبيت أحد الطرفين ، ابدأ برفق في تحريك الطرف الآخر أفقيا حتى تجد التوافقي الأول. بالنسبة لهذا التوافقي ، يجب أن يكون هناك قمة موجة واحدة فقط مع سعة واحدة تتحرك ذهابا وإيابا.
استخدم ساعة توقيت لتسجيل الوقت المستغرق لكل دورة موجة. تبدأ دورة واحدة كاملة عندما تتشكل عقدة مضادة على جانب واحد ، وتنزلق عبر المركز لتشكيل عقدة مضادة على الجانب الآخر ، ثم تعود إلى الموضع الأصلي.
الآن ، قم بزيادة سرعة الانزلاق حتى تصل إلى التوافقي التالي. بالنسبة للتوافقي الثاني ، يجب أن يكون هناك قمتان موجيتان على جانبي نقيض تتحركان في اتجاهين متعاكسين. قم بقياس الوقت لدورة موجة واحدة.
كرر هذه الخطوات للتوافقي الثالث.
الآن بعد أن ناقشنا التجربة ، دعنا نتعلم كيف نحلل البيانات التي تم جمعها من أجل الحصول على ترددات التوافقيات المختلفة. تذكر أن الطول الموجي يساوي ضعفين طول slinky مقسوما على n. وبالتالي ، بالنسبة للتوافقي الثاني ، فإن الطول الموجي هو طول slinky ، أو 8 أمتار.
يعرف التردد بأنه عدد الدورات لكل وحدة زمنية. وبالتالي ، يمكن حساب التردد لكل توافقي بقسمة عدد الدورات على الوقت الإجمالي. من الواضح أنه مع زيادة n ، يزداد تردد الموجة أيضا.
كان هذا ملحوظا أثناء التجربة أيضا. الآن دعونا نتحقق من العلاقة بين الترددات و n. إذا قسمنا تردد كل توافقي على التردد الأساسي ، فإننا نحصل على هذه القيم. توضح هذه القيم أن التوافقي الثاني يقارب ضعف تردد التردد الأساسي والتوافقي الثالث هو ثلاثة أضعاف التردد الأساسي. معا ، تتحقق هذه النتائج من صحة الصيغ التوافقية.
يمكن العثور على الأمواج الدائمة في العديد من أمثلة العالم الحقيقي في العلوم والطبيعة.
سلسلة الجيتار المقطوعة هي مثال بسيط على الموجة الواقفة. يصدر الوتر المقطوع ترددا صوتيا معينا اعتمادا على طول السلسلة ومدى شد أو كثافة الوتر.
كل سلسلة تضع ملاحظات معينة فقط لأن موجات معينة فقط قادرة على التشكل على تلك السلسلة. هذه الموجات الدائمة كلها مضاعفات أعداد صحيحة للتردد الأساسي للسلسلة. يمكن للموسيقي تقصير طول الوتر ، وإنشاء مجموعة جديدة من التوافقيات.
الرحلان المشوي ، الذي يعني الهجرة بالصوت ، هو تقنية في الهندسة الطبية الحيوية تستخدم موجات ثابتة لإزاحة الجسيمات في قناة دقيقة من السائل المتدفق. يتم إجراء ذلك عادة في جهاز ميكروفلويديك ، والذي يحتوي على قنوات سائلة بمقياس ميكرومتر.
عندما تتشكل موجة ثابتة بتردد محدد داخل القناة ، والتي تركز الجسيمات في تيار متحكم فيه. باستخدام هذه الطريقة ، يمكن للباحث التركيز بسرعة أو فصل الكيانات المجهرية.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الأمواج الدائمة والحركة التوافقية البسيطة. يجب أن تفهم الآن خصائص الأمواج الدائمة ، وأين توجد في التطبيقات اليومية. شكرا للمشاهدة!
المصدر: أريانا براون، أسانثا كوراي، دكتوراه، قسم الفيزياء وعلم الفلك، كلية العلوم الفيزيائية، جامعة كاليفورنيا، إيرفين، كاليفورنيا
الموجات الدائمة ، أ…
الفصول في هذا الفيديو
0:07
Overview
1:15
Principles of Standing Waves and Simple Harmonics
4:15
Observing the Superposition of Wave Pulses
5:39
Measuring Frequency of Standing Waves
6:37
Data Analysis and Results
7:50
Applications
9:05
Summary
حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.