موج

به هر آشفتگی در محیط که در فضا یا فضازمان منتشر می‌شود و اغلب حامل انرژی است موج می‌گویند. اگر این آشفتگی در میدان‌های الکترومغناطیسی باشد، آن را موج الکترومغناطیسی می‌نامند. در امواج الکترومغناطیسی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به طور عمود بر یکدیگر نوسان می‌کنند و با سرعت نور انتشار پیدا می‌کنند. نور و امواج رادیویی از این نوع هستند.

امواج مکانیکی نوعی از امواج هستند که فقط در یک محیط مادی منتشر می‌شوند. انتشار این گونه امواج به دلیل نیروهای داخلی در محیط در اثر تغییر شکل ایجاد شده (آشفتگی) می‌باشد. این نیروها تمایل به بازگرداندن محیط به حالت اولیه را دارند. بعضی از انواع امواج مکانیکی امواج صوت، امواج زلزله و امواج آب است.

موج‌ها به دو دسته امواج طولی و امواج عرضی تقسیم می‌شوند. در امواج طولی، سرعت انتشار موج موازی با حرکت نوسانی آن است، در حالی که، در امواج عرضی این سرعت عمود بر آن است. امواج الکترو مغناطیسی از نوع امواج عرضی هستند.

موج الکترومغناطیس



بازه قابل رویت فقط قسمت کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می‌دهد.
تعاریف

توافق بر روی یک تعریف واحد برای واژه موج چیزی است که امکان ندارد. یک ارتعاش یا لرزش (ویبراسیون) را می‌توان به صورت یک حرکت به عقب و جلو پیرامون نقطهٔ m در اطراف یک مقدار مرجع تعریف نمود. با وجود این، تعریف مشخصات کافی برای موج که باعث کیفیت بخشیدن به آن می‌شود موضوعی قابل انعطاف است. این اصطلاح اغلب به طور ذاتی به صورت انتقال نوسانات در فضا مطرح می‌شود که با حرکت شی که فضا را پر کرده یا اشغال نموده در ارتباط نیست. در یک موج انرژی یک ارتعاش عبارتست ازانرژی شی که دارد از منبع به فرم یک اغتشاش و نوسان در داخل محیطی که آن را احاطه کرده یا در پیرامون آن است دور می‌شود (هال ۱۹۸۰). با وجود این، این حرکت در مورد یک موج ساکن و ایستاده، مسئله برانگیز است. برای مثال، یک موج روی یک طناب یا نخ که انرژی در آن به طور مساوی در هر دو جهت منتشر می‌شود یا برای امواج الکترومغناطیسی یا امواج نوری در خلا، جاییکه مفهوم محیط واسطه‌ای دیگر قابل کاربرد نیست. به خاطر چنین دلایلی نظریهٔ موج بیان کننده یک شاخه خاص از فیزیک است، که به خواص موج مستقل از آنکه منشا فیزیکی آن چه چیزی باشد وابسته‌است (استراوسکی و پتاپو،۱۹۹۹). این خاصیت منحصر بفرد که با مستقل بودن از منشا فیزیکی و با تکیه بسیار روی منشا در موقعی که یک مورد خاص از یک فرآیند موجی را در نظر می‌گیریم همراه می‌گردد.

مثال: آکوستیک از اوپتیک متمایز می‌گردد. به این صورت که امواج صوتی دارای منشا مکانیکی، بیشتر از امواج الکترومغناطیسی در موقع انتقال انرژی لرزشی یا ارتعاشی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شوند. مفاهیمی از قبیل جرم، گشتاور، اینرسی، یا خاصیت کشسانی (ارتجاعی) موقع شرح دادن آکوستیک بسیار مهم هستند. (برخلاف اوپتیک هنگام بررسی فرآیندهای موجی). این تفاوت در منشا باعث ایجاد مشخصات موجی خاص متفاوت از محیطی که با آن سر و کار داریم می‌شود . (به عنوان مثال، در موارد مربوط به هوا: فشار تابش موج‌های تلاطمی و... . در موارد جامد(اجسام صلب): امواج نور، تجزیه نور و ...) خواص دیگر، اگر چه آنها هم معمولاً از طریق منشا مشخص می‌شوند، ممکن است به تمام امواج تعمیم داده شود. به عنوان مثال، با توجه به آنهایی که بر اساس منشا مکانیکی پایه گذاری شده اندمی توان اغتشاشاتی در فضابرای امواج آکوستیک بر حسب زمان انجام داد اگر وفقط اگر وسیله مورد بحث بسیار سخت و یا بسیار نرم و انعطاف پذیر نباشد . اگر تمام اجزای تشکیل دهنده وسیله به صورت محکم به یکدیگر متصل شده باشند، تمام اجزای آن به شکل یک جسم واحد و بدون هیچ گونه تاخیری در انتقال نوسان، به ارتعاش در می‌آیند. که در این صورت هیچ حرکت موجی نخواهیم داشت. از سوی دیگر، اگر تمامی اجزا مستقل از یکدیگر بودند، هیچ انتقال ارتعاشی وجود نداشت. عبارات مذکور در بالا با فرض آنکه موج به هیچ منشا نیاز نداشته باشد بی معنی خواهد بود، اگر چه آنهاویژگی که از خود بروز می‌دهندمستقل از منشا آنها باشد: در طول یک موج، فاز یک ارتعاش (مکان و موقعیتی که در داخل سیکل نوسان اشغال کرده ) برای نقاط مجاور متفاوت می‌با شد و علت آن نیز این است که نوسان در زمان‌های متمایز به این نقاط می‌رسد. به صورت مشابه، پردازش فرآیندهای موج که از مطالعه درباره پدیده‌های موجی با سرچشمه‌هایی متفاوت با سر چشمه امواج صوتی حاصل می‌شود می‌تواند برای فهم هر چه بیشتر پدیده‌های صوتی بسیار با اهمیت باشد. یک مثال مناسب از این نمونه، قاعده تداخل یانگ می‌باشد ( یانگ،۱۸۰۲ ) این اصل برای اولین بار در تحقیقات یانگ پیرامون نور مطرح شد و هنوز نیز می‌تواند مطابق تعدادی از مفاهیم خاص دیگر ( برای مثال، پخش شدن صوت توسط صدا ) موضوعی پژوهشی در مطالعه صوت باشد.

ویژگی‌ها

مقالهٔ اصلی: صفات

امواج متناوب توسط فاکتورهای اوج (بالاترین نقاط در امواج) و پایین‌ترین نقاط توصیف می‌شوند و البته ممکن است گاهی بر اساس طولی یا عرضی طبقه بندی گردند. امواج عرضی به امواجی اطلاق می‌شود که دارای ارتعاش‌هایی عمود بر جهت و انتشار موج باشند. مانند امواج طناب و امواج الکترومغناطیسی. امواج طولی دسته‌ای از امواج هستندکه در جریان انتشار موج دارای نوسانات موازی هستند مانند بیشتر امواج صوتی. زمانی یک شی بر روی موج یک آبگیر به بالا و پایین برود، حرکت بر روی یک مسیر دوار را تجربه می‌کند زیرا این امواج، امواج عرضی یا سینوسی نمی‌با شند.

A=در آب‌های عمیق

B=در آب‌های کم عمق

۱=عبور موج

۲=اوج

۳=افت

ریز موج‌ها روی سطح برکه در حقیقت ترکیب طولی و عرضی امواج هستند. بنابراین نقاط روی سطح، مسیر دایره‌ای را دنبال می‌کنند ونقاطی که روی سطح قرار می‌گیرنداز این مسیر دایره‌ای تبعیت می‌کنند.تمام امواج می‌توانند موارد زیر را تجربه کنند:

موج مستقیم از طریق برخورد با سطح منعکس کننده تغییر می‌یابند = انعکاس

موج مستقیم از طریق مداخله یک شی جدید تغییر می‌یا بند = انعکاس

خم شدن امواج مانند تاثیر متقابل آنها در برابر موانعی است که در مسیرشان وجود دارد = پراش بیشترین شناخت طول موج روی حالت پرش شی است.

موقعیت دو موج که با هم برخورد می‌کنند =تداخل

موجی که با بسامد شکسته می‌شود = انتشار

حرکات موج نوری در مسیر مستقیم – خطوط انتشار

یک موج اگر بتواند فقط در مسیر مستقیم نوسان کند دوگانگی می‌یابد. دوگانگی عرضی موج حاکی از نوسان مستقیم آن است و عمود برجهت حرکت است. امواج طولی مانند امواج صوتی دوگانگی بروز نمی‌دهند زیرا این امواج نوسان مستقیم در طول حرکت دارند و با فیلتر پولازیزه گر پولاریزه می‌شوند.

مثال: امواج سطح اقیانوس که با صخره‌ها برخورد می‌کنند. امواج سطح اقیانوس که پرتلاطم هستند در میان آب منتشر می‌شوند. امواج رادیو یی، ریز موج‌ها، مادون قرمز، امواج مرئی، فرابنفش، پرتو x و پرتو گاما از پرتو افکنی پرتوهای الکترومغناطیسی ساخته شده‌اند. در این شرایط انتشار بدون وجود محیط در میان خلأ ممکن است. این امواج الکترومغناطیس در ۲۹۹ و ۷۹۲ و ۴۵۸ متر بر ثانیه در خلأ حرکت می‌کنند.

انواع موج

صوت یک موج مکانیکی است که در میان هوا، مایعات و جامدات منتشر می‌شود. موج ترافیک (یعنی انتشار متفاوت و متراکم وسایل نقلیه و ...) که می‌تواند به عنوان مدلی از امواج سینماتیک باشد. مانند اولین طرح آقای .J.Mلایت هیل. امواج لرزه‌ای در زمین به صورت برشی S و طولی P می‌باشند که در سطح زمین و بین لایه‌ها به موجهای لاو L و رایلی R هم تبدیل می‌شوند. امواج گرانشی که عبارتند از نوسانات و بالا و پایین شدن در انحنای زمان -فضا که به وسیله اصل عمومی نسبیت پیش بینی شده‌است .این امواج چند بعدی هستند و به طور تجربی مشاهده می‌شوند.

امواج ساکن: در گردش سیالات اتفاق می‌افتند و از طریق تأثیر کرولیز ذخیره می‌شوند.

توصیف ریاضی [ویرایش]

یک موج با دامنه ثابت است.

شکل و نمایشی از یک موج (منحنی آبی رنگ که خیلی سریع تغییر می‌کند) و پوشش آن (منحنی قرمزکه با سرعت آهسته تری تغییر می‌کند)

به عقیده ریاضیدانان ساده‌ترین یا اساسی‌ترین موج، امواج هارمونیک سینوسی است که آن را با توصیف می‌کند. که A دامنه موج است یعنی بیشترین مقدار بی نظمی در طول نوسان موج (بیشترین فاصله از بلندترین نقطه اوج تا تعادل در یک نمونه کامل، یعنی ماکزیمم مسافت قایم بین مبدأ و موج.) واحد دامنه به نوع موج بستگی دارد. موج‌هایی که روی طناب هستند دامنه شان به صورت یک بعد بیان می‌شود. امواج صوتی مانند فشار (پاسکال) و امواج الکترومغناطیس مانند دامنه‌ای از میدان الکتریکی (ولت / متر)بیان می‌شوند. دامنه ممکن است ثابت باشد (در این شرایط موج یا cw هست یا موج ثابت) یا ممکن است با زمان و موقعیت تغییر کند. فرم متغیر دامنه، موج پوششی نامیده می‌شود.

طول موج ( اشاره به ) مسافت بین دو قله متوالی (یا یک فرورفتگی و برجستگی) است. معمولاً واحد آن متر است و همچنین با نانومتربرای طیف الکترومغناطیس بخش نوری بیان می‌شود. یک تعداد موج K می‌تواند با طول موج به هم ربط داده شود. امواج را می‌توان به وسیله حرکت هارمونیک نشان داد. دوره T، زمان برای یک نوسان کامل موج است.



بسامد f (که با نشان می‌دهند) تعداد دوره‌هایی است که در واحد زمان انجام می‌دهند (برای مثال یک ثانیه) و آن با هرتز اندازه گیری می‌شود.



بسامد ودوره عکس یکدیگرند.

بسامد زاویه‌ای بیان کننده بسامد از نظر رادیان است و بستگی به بسامد دارد. بسامد زاویه‌ای با بسامد از طریق رابطه زیر ارتباط دارد:



دو نوع سرعت وجود دارد که امواج را به هم پیوند می‌دهد. اولین سرعت سرعت انتشار موج است که توسط بیان می‌شود و دومین، سرعت گروهی است که سرعت متغیری در شکل‌های متنوع موج ایجاد می‌کند. این سرعت می‌تواند به موج منتقل شود. و با فرمول زیر ارائه می‌شود:



معادله موج
مقالهٔ اصلی: معادلهٔ موج

معادله دیفرانسیل موج به صورت زیر نوشته می‌شود.


در اینجا سرعت انتشار موج می‌باشد. جواب این معادله (در حالت یک‌بعدی) به صورت زیر است ( دامنه موج است.):


عدد موج، سرعت زاویه‌ای، طول موج، فاز، دوره تناوب و بسامد حرکت نوسانی نام دارند.



معادله موج یک معادله دیفرانسیلی است که در هر زمان، تحول موج هارمونیک را توصیف می‌کند . معادله موج فرم متفاوتی دارد و تا اندازه‌ای بستگی به این دارد که موج چگونه منتقل می‌شود و معمولاً از طریق حرکت به دست می‌آید. توجه به دامنه موج یعنی حر کت پایین طناب در طول محورx و متغیر u (که معمولاً وابسته به x وt ) معادله موج در سه بعد است که با فرمول زیر بیان می‌شود.

که به صورت معادله لاپلاسی می‌باشد.

سرعت v هم به شکل موج و هم به محیطی که موج از طریق آن منتقل می‌شود بستگی دارد . یک راه حل کلی برای معادله موج در یک بعد تو سط دی–آلبرت داده شده‌است. که به این صورت است:

این راه حل را می‌توان به صورت دو پالس که در جهات مخالف حرکت می‌کنند( F در جهت x و G در خلاف جهت x)در نظر گرفت. اگر مادر معادله بالابه جای x ، xوy وz جایگزین کنیم آن وقت ما انتشار موج در سه بعد را تو صیف می‌کنیم. معادله شرودینگر رفتار موج گونه ذرات را در مکانیک توصیف می‌کند. راه حل‌هایی برای این معادله، عبارتند از توابع موجی که می‌توانند به شرح سرانجام احتمالی ذرات بپردازند . موج ساده یا متحرک که گاهی موج پیش رو نیز نامیده می‌شود، اختلالی است که با دو عامل زمان t و مسافت z تغییر می‌کند. که با فرمول زیر ارائه می‌شود.

جایی که (A(z,t پوشش دامنه‌ای که برای موج داریم و K تعداد موج و نمایانگر فاز موج است. سرعت فاز vp این موج توسط نشان داده می‌شود. ( نمایانگر طول موج است.

امواج ایستاده
مقالهٔ اصلی: امواج ساکن

موج ایستاده در وضعیت ساکن

نقاط قرمز نمایانگر گره‌های موج هستند. موج ایستاده که با عنوان موج ساکن نیز شناخته می‌شود موجی است که در وضعیت ثابت باقی می‌ماند. این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که وسیله‌ای در مسیری خلاف جهت موج در حرکت باشد و یا این موج می‌تواند در نتیجه تداخل دو موج از دو سوی متفاوت ایجاد شود. مجموع دو موج منتشر شده از سوی مقابل هم (با دامنه و بسامد یکسان) یک موج ایستاده را به وجود می‌آورد. به طور عادی، موج ایستاده زمانی تولید می‌شود که انتشار موج دورتر از مانع باشد. بنابراین، علت انعکاس موج وجود یک موج مخالف است. به عنوان مثال، زمانی که تار ویولن جابه جا می‌شود امواج طولی منتشر می‌شوند تا جایی که تار در جایش محکم قرار گیرد. بالاتر از جایی که موج بر می‌گردد در خرک و مهره دو موج در فاز مخالف هم هستند و یکدیگر را دفع می‌کنند در نتیجه یک گره تولید می‌شود. در وسط راه، بین دو گره یک شکم تولید می‌شود جایی که دو موج از سوی مقابل هم منتشر می‌شوند موج‌ها روی هم افزایش می‌یابند و عضو بیشینه می‌شوند و به طور معمول انرژی برای انتشار موج نمی‌ماند.

از نگاه دیگر:

لرزش طبیعی اکوسیتیک، تشدید کننده هلم هولتز و دریچه لوله صوتی.

انتشار میان طناب

سرعت موج در حال حرکت در امتداد یک تار مرتعش شونده به طور مستقیم متناسب با ریشه دوم کشش تار به چگالی خطی (μ)است:



منابع

French, A.P. (1971). Vibrations and Waves (M.I.T. Introductory physics series). Nelson Thornes. ISBN 0-393-09936-9.
ویکی‌پدیای انگلیسی
پیوندهای بیرونی

امواج، دانش‌نامه رشد
همچنین:

به هر آشفتگی در محیط که در فضا یا فضازمان منتشر می‌شود و اغلب حامل انرژی است موج می‌گویند. اگر این آشفتگی در میدان‌های الکترومغناطیسی باشد، آن را موج الکترومغناطیسی می‌نامند. در امواج الکترومغناطیسی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به طور عمود بر یکدیگر نوسان می‌کنند و با سرعت نور انتشار پیدا می‌کنند. نور و امواج رادیویی از این نوع هستند.

امواج مکانیکی نوعی از امواج هستند که فقط در یک محیط مادی منتشر می‌شوند. انتشار این گونه امواج به دلیل نیروهای داخلی در محیط در اثر تغییر شکل ایجاد شده (آشفتگی) می‌باشد. این نیروها تمایل به بازگرداندن محیط به حالت اولیه را دارند. بعضی از انواع امواج مکانیکی امواج صوت، امواج زلزله و امواج آب است.

موج‌ها به دو دسته امواج طولی و امواج عرضی تقسیم می‌شوند. در امواج طولی، سرعت انتشار موج موازی با حرکت نوسانی آن است، در حالی که، در امواج عرضی این سرعت عمود بر آن است. امواج الکترو مغناطیسی از نوع امواج عرضی هستند.

محتویات [نمایش]
موج الکترومغناطیس [ویرایش]



بازه قابل رویت فقط قسمت کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می‌دهد.
تعاریف [ویرایش]

توافق بر روی یک تعریف واحد برای واژه موج چیزی است که امکان ندارد. یک ارتعاش یا لرزش (ویبراسیون) را می‌توان به صورت یک حرکت به عقب و جلو پیرامون نقطهٔ m در اطراف یک مقدار مرجع تعریف نمود. با وجود این، تعریف مشخصات کافی برای موج که باعث کیفیت بخشیدن به آن می‌شود موضوعی قابل انعطاف است. این اصطلاح اغلب به طور ذاتی به صورت انتقال نوسانات در فضا مطرح می‌شود که با حرکت شی که فضا را پر کرده یا اشغال نموده در ارتباط نیست. در یک موج انرژی یک ارتعاش عبارتست ازانرژی شی که دارد از منبع به فرم یک اغتشاش و نوسان در داخل محیطی که آن را احاطه کرده یا در پیرامون آن است دور می‌شود (هال ۱۹۸۰). با وجود این، این حرکت در مورد یک موج ساکن و ایستاده، مسئله برانگیز است. برای مثال، یک موج روی یک طناب یا نخ که انرژی در آن به طور مساوی در هر دو جهت منتشر می‌شود یا برای امواج الکترومغناطیسی یا امواج نوری در خلا، جاییکه مفهوم محیط واسطه‌ای دیگر قابل کاربرد نیست. به خاطر چنین دلایلی نظریهٔ موج بیان کننده یک شاخه خاص از فیزیک است، که به خواص موج مستقل از آنکه منشا فیزیکی آن چه چیزی باشد وابسته‌است (استراوسکی و پتاپو،۱۹۹۹). این خاصیت منحصر بفرد که با مستقل بودن از منشا فیزیکی و با تکیه بسیار روی منشا در موقعی که یک مورد خاص از یک فرآیند موجی را در نظر می‌گیریم همراه می‌گردد.

مثال: آکوستیک از اوپتیک متمایز می‌گردد. به این صورت که امواج صوتی دارای منشا مکانیکی، بیشتر از امواج الکترومغناطیسی در موقع انتقال انرژی لرزشی یا ارتعاشی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شوند. مفاهیمی از قبیل جرم، گشتاور، اینرسی، یا خاصیت کشسانی (ارتجاعی) موقع شرح دادن آکوستیک بسیار مهم هستند. (برخلاف اوپتیک هنگام بررسی فرآیندهای موجی). این تفاوت در منشا باعث ایجاد مشخصات موجی خاص متفاوت از محیطی که با آن سر و کار داریم می‌شود . (به عنوان مثال، در موارد مربوط به هوا: فشار تابش موج‌های تلاطمی و... . در موارد جامد(اجسام صلب): امواج نور، تجزیه نور و ...) خواص دیگر، اگر چه آنها هم معمولاً از طریق منشا مشخص می‌شوند، ممکن است به تمام امواج تعمیم داده شود. به عنوان مثال، با توجه به آنهایی که بر اساس منشا مکانیکی پایه گذاری شده اندمی توان اغتشاشاتی در فضابرای امواج آکوستیک بر حسب زمان انجام داد اگر وفقط اگر وسیله مورد بحث بسیار سخت و یا بسیار نرم و انعطاف پذیر نباشد . اگر تمام اجزای تشکیل دهنده وسیله به صورت محکم به یکدیگر متصل شده باشند، تمام اجزای آن به شکل یک جسم واحد و بدون هیچ گونه تاخیری در انتقال نوسان، به ارتعاش در می‌آیند. که در این صورت هیچ حرکت موجی نخواهیم داشت. از سوی دیگر، اگر تمامی اجزا مستقل از یکدیگر بودند، هیچ انتقال ارتعاشی وجود نداشت. عبارات مذکور در بالا با فرض آنکه موج به هیچ منشا نیاز نداشته باشد بی معنی خواهد بود، اگر چه آنهاویژگی که از خود بروز می‌دهندمستقل از منشا آنها باشد: در طول یک موج، فاز یک ارتعاش (مکان و موقعیتی که در داخل سیکل نوسان اشغال کرده ) برای نقاط مجاور متفاوت می‌با شد و علت آن نیز این است که نوسان در زمان‌های متمایز به این نقاط می‌رسد. به صورت مشابه، پردازش فرآیندهای موج که از مطالعه درباره پدیده‌های موجی با سرچشمه‌هایی متفاوت با سر چشمه امواج صوتی حاصل می‌شود می‌تواند برای فهم هر چه بیشتر پدیده‌های صوتی بسیار با اهمیت باشد. یک مثال مناسب از این نمونه، قاعده تداخل یانگ می‌باشد ( یانگ،۱۸۰۲ ) این اصل برای اولین بار در تحقیقات یانگ پیرامون نور مطرح شد و هنوز نیز می‌تواند مطابق تعدادی از مفاهیم خاص دیگر ( برای مثال، پخش شدن صوت توسط صدا ) موضوعی پژوهشی در مطالعه صوت باشد.

ویژگی‌ها [ویرایش]

مقالهٔ اصلی: صفات

امواج متناوب توسط فاکتورهای اوج (بالاترین نقاط در امواج) و پایین‌ترین نقاط توصیف می‌شوند و البته ممکن است گاهی بر اساس طولی یا عرضی طبقه بندی گردند. امواج عرضی به امواجی اطلاق می‌شود که دارای ارتعاش‌هایی عمود بر جهت و انتشار موج باشند. مانند امواج طناب و امواج الکترومغناطیسی. امواج طولی دسته‌ای از امواج هستندکه در جریان انتشار موج دارای نوسانات موازی هستند مانند بیشتر امواج صوتی. زمانی یک شی بر روی موج یک آبگیر به بالا و پایین برود، حرکت بر روی یک مسیر دوار را تجربه می‌کند زیرا این امواج، امواج عرضی یا سینوسی نمی‌با شند.

A=در آب‌های عمیق

B=در آب‌های کم عمق

۱=عبور موج

۲=اوج

۳=افت

ریز موج‌ها روی سطح برکه در حقیقت ترکیب طولی و عرضی امواج هستند. بنابراین نقاط روی سطح، مسیر دایره‌ای را دنبال می‌کنند ونقاطی که روی سطح قرار می‌گیرنداز این مسیر دایره‌ای تبعیت می‌کنند.تمام امواج می‌توانند موارد زیر را تجربه کنند:

موج مستقیم از طریق برخورد با سطح منعکس کننده تغییر می‌یابند = انعکاس

موج مستقیم از طریق مداخله یک شی جدید تغییر می‌یا بند = انعکاس

خم شدن امواج مانند تاثیر متقابل آنها در برابر موانعی است که در مسیرشان وجود دارد = پراش بیشترین شناخت طول موج روی حالت پرش شی است.

موقعیت دو موج که با هم برخورد می‌کنند =تداخل

موجی که با بسامد شکسته می‌شود = انتشار

حرکات موج نوری در مسیر مستقیم – خطوط انتشار

یک موج اگر بتواند فقط در مسیر مستقیم نوسان کند دوگانگی می‌یابد. دوگانگی عرضی موج حاکی از نوسان مستقیم آن است و عمود برجهت حرکت است. امواج طولی مانند امواج صوتی دوگانگی بروز نمی‌دهند زیرا این امواج نوسان مستقیم در طول حرکت دارند و با فیلتر پولازیزه گر پولاریزه می‌شوند.

مثال: امواج سطح اقیانوس که با صخره‌ها برخورد می‌کنند. امواج سطح اقیانوس که پرتلاطم هستند در میان آب منتشر می‌شوند. امواج رادیو یی، ریز موج‌ها، مادون قرمز، امواج مرئی، فرابنفش، پرتو x و پرتو گاما از پرتو افکنی پرتوهای الکترومغناطیسی ساخته شده‌اند. در این شرایط انتشار بدون وجود محیط در میان خلأ ممکن است. این امواج الکترومغناطیس در ۲۹۹ و ۷۹۲ و ۴۵۸ متر بر ثانیه در خلأ حرکت می‌کنند.

انواع موج [ویرایش]

صوت یک موج مکانیکی است که در میان هوا، مایعات و جامدات منتشر می‌شود. موج ترافیک (یعنی انتشار متفاوت و متراکم وسایل نقلیه و ...) که می‌تواند به عنوان مدلی از امواج سینماتیک باشد. مانند اولین طرح آقای .J.Mلایت هیل. امواج لرزه‌ای در زمین به صورت برشی S و طولی P می‌باشند که در سطح زمین و بین لایه‌ها به موجهای لاو L و رایلی R هم تبدیل می‌شوند. امواج گرانشی که عبارتند از نوسانات و بالا و پایین شدن در انحنای زمان -فضا که به وسیله اصل عمومی نسبیت پیش بینی شده‌است .این امواج چند بعدی هستند و به طور تجربی مشاهده می‌شوند.

امواج ساکن: در گردش سیالات اتفاق می‌افتند و از طریق تأثیر کرولیز ذخیره می‌شوند.

توصیف ریاضی [ویرایش]

یک موج با دامنه ثابت است.

شکل و نمایشی از یک موج (منحنی آبی رنگ که خیلی سریع تغییر می‌کند) و پوشش آن (منحنی قرمزکه با سرعت آهسته تری تغییر می‌کند)

به عقیده ریاضیدانان ساده‌ترین یا اساسی‌ترین موج، امواج هارمونیک سینوسی است که آن را با توصیف می‌کند. که A دامنه موج است یعنی بیشترین مقدار بی نظمی در طول نوسان موج (بیشترین فاصله از بلندترین نقطه اوج تا تعادل در یک نمونه کامل، یعنی ماکزیمم مسافت قایم بین مبدأ و موج.) واحد دامنه به نوع موج بستگی دارد. موج‌هایی که روی طناب هستند دامنه شان به صورت یک بعد بیان می‌شود. امواج صوتی مانند فشار (پاسکال) و امواج الکترومغناطیس مانند دامنه‌ای از میدان الکتریکی (ولت / متر)بیان می‌شوند. دامنه ممکن است ثابت باشد (در این شرایط موج یا cw هست یا موج ثابت) یا ممکن است با زمان و موقعیت تغییر کند. فرم متغیر دامنه، موج پوششی نامیده می‌شود.

طول موج ( اشاره به ) مسافت بین دو قله متوالی (یا یک فرورفتگی و برجستگی) است. معمولاً واحد آن متر است و همچنین با نانومتربرای طیف الکترومغناطیس بخش نوری بیان می‌شود. یک تعداد موج K می‌تواند با طول موج به هم ربط داده شود. امواج را می‌توان به وسیله حرکت هارمونیک نشان داد. دوره T، زمان برای یک نوسان کامل موج است.



بسامد f (که با نشان می‌دهند) تعداد دوره‌هایی است که در واحد زمان انجام می‌دهند (برای مثال یک ثانیه) و آن با هرتز اندازه گیری می‌شود.



بسامد ودوره عکس یکدیگرند.

بسامد زاویه‌ای بیان کننده بسامد از نظر رادیان است و بستگی به بسامد دارد. بسامد زاویه‌ای با بسامد از طریق رابطه زیر ارتباط دارد:



دو نوع سرعت وجود دارد که امواج را به هم پیوند می‌دهد. اولین سرعت سرعت انتشار موج است که توسط بیان می‌شود و دومین، سرعت گروهی است که سرعت متغیری در شکل‌های متنوع موج ایجاد می‌کند. این سرعت می‌تواند به موج منتقل شود. و با فرمول زیر ارائه می‌شود:



معادله موج [ویرایش]
مقالهٔ اصلی: معادلهٔ موج

معادله دیفرانسیل موج به صورت زیر نوشته می‌شود.


در اینجا سرعت انتشار موج می‌باشد. جواب این معادله (در حالت یک‌بعدی) به صورت زیر است ( دامنه موج است.):


عدد موج، سرعت زاویه‌ای، طول موج، فاز، دوره تناوب و بسامد حرکت نوسانی نام دارند.



معادله موج یک معادله دیفرانسیلی است که در هر زمان، تحول موج هارمونیک را توصیف می‌کند . معادله موج فرم متفاوتی دارد و تا اندازه‌ای بستگی به این دارد که موج چگونه منتقل می‌شود و معمولاً از طریق حرکت به دست می‌آید. توجه به دامنه موج یعنی حر کت پایین طناب در طول محورx و متغیر u (که معمولاً وابسته به x وt ) معادله موج در سه بعد است که با فرمول زیر بیان می‌شود.

که به صورت معادله لاپلاسی می‌باشد.

سرعت v هم به شکل موج و هم به محیطی که موج از طریق آن منتقل می‌شود بستگی دارد . یک راه حل کلی برای معادله موج در یک بعد تو سط دی–آلبرت داده شده‌است. که به این صورت است:

این راه حل را می‌توان به صورت دو پالس که در جهات مخالف حرکت می‌کنند( F در جهت x و G در خلاف جهت x)در نظر گرفت. اگر مادر معادله بالابه جای x ، xوy وz جایگزین کنیم آن وقت ما انتشار موج در سه بعد را تو صیف می‌کنیم. معادله شرودینگر رفتار موج گونه ذرات را در مکانیک توصیف می‌کند. راه حل‌هایی برای این معادله، عبارتند از توابع موجی که می‌توانند به شرح سرانجام احتمالی ذرات بپردازند . موج ساده یا متحرک که گاهی موج پیش رو نیز نامیده می‌شود، اختلالی است که با دو عامل زمان t و مسافت z تغییر می‌کند. که با فرمول زیر ارائه می‌شود.

جایی که (A(z,t پوشش دامنه‌ای که برای موج داریم و K تعداد موج و نمایانگر فاز موج است. سرعت فاز vp این موج توسط نشان داده می‌شود. ( نمایانگر طول موج است.

امواج ایستاده [ویرایش]
مقالهٔ اصلی: امواج ساکن

موج ایستاده در وضعیت ساکن

نقاط قرمز نمایانگر گره‌های موج هستند. موج ایستاده که با عنوان موج ساکن نیز شناخته می‌شود موجی است که در وضعیت ثابت باقی می‌ماند. این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که وسیله‌ای در مسیری خلاف جهت موج در حرکت باشد و یا این موج می‌تواند در نتیجه تداخل دو موج از دو سوی متفاوت ایجاد شود. مجموع دو موج منتشر شده از سوی مقابل هم (با دامنه و بسامد یکسان) یک موج ایستاده را به وجود می‌آورد. به طور عادی، موج ایستاده زمانی تولید می‌شود که انتشار موج دورتر از مانع باشد. بنابراین، علت انعکاس موج وجود یک موج مخالف است. به عنوان مثال، زمانی که تار ویولن جابه جا می‌شود امواج طولی منتشر می‌شوند تا جایی که تار در جایش محکم قرار گیرد. بالاتر از جایی که موج بر می‌گردد در خرک و مهره دو موج در فاز مخالف هم هستند و یکدیگر را دفع می‌کنند در نتیجه یک گره تولید می‌شود. در وسط راه، بین دو گره یک شکم تولید می‌شود جایی که دو موج از سوی مقابل هم منتشر می‌شوند موج‌ها روی هم افزایش می‌یابند و عضو بیشینه می‌شوند و به طور معمول انرژی برای انتشار موج نمی‌ماند.

از نگاه دیگر:

لرزش طبیعی اکوسیتیک، تشدید کننده هلم هولتز و دریچه لوله صوتی.

انتشار میان طناب

سرعت موج در حال حرکت در امتداد یک تار مرتعش شونده به طور مستقیم متناسب با ریشه دوم کشش تار به چگالی خطی (μ)است:



منابع

French, A.P. (1971). Vibrations and Waves (M.I.T. Introductory physics series). Nelson Thornes. ISBN 0-393-09936-9.
ویکی‌پدیای انگلیسی
پیوندهای بیرونی

امواج، دانش‌نامه رشد
همچنین:

In physics, a wave is a disturbance (an oscillation) that travels through space in time, accompanied by the transfer of energy.
Waves travel and the wave motion transfers energy from one point to another, often with no permanent displacement of the particles of the medium—that is, with little or no associated mass transport. They consist, instead, of oscillations or vibrations around almost fixed locations. For example, a cork on rippling water will bob up and down, staying in about the same place while the wave itself moves onwards.
One type of wave is a mechanical wave, which propagates through a medium in which the substance of this medium is deformed. The deformation reverses itself owing to restoring forces resulting from its deformation. For example, sound waves propagate via air molecules bumping into their neighbors. This transfers some energy to these neighbors, which will cause a cascade of collisions between neighbouring molecules. When air molecules collide with their neighbors, they also bounce away from them (restoring force). This keeps the molecules from continuing to travel in the direction of the wave.
Another type of wave can travel through a vacuum, e.g. electromagnetic radiation (including visible light, ultraviolet radiation, infrared radiation, gamma rays, X-rays, and radio waves). This type of wave consists of periodic oscillations in electrical and magnetic fields.
A main distinction can be made between transverse and longitudinal waves. Transverse waves occur when a disturbance creates oscillations perpendicular (at right angles) to the propagation (the direction of energy transfer). Longitudinal waves occur when the oscillations are parallel to the direction of propagation.
Waves are described by a wave equation which sets out how the disturbance proceeds over time. The mathematical form of this equation varies depending on the type of wave.
Contents [hide]
1 General features
2 Mathematical description of one-dimensional waves
2.1 Wave equation
2.2 Wave forms
2.3 Amplitude and modulation
2.4 Phase velocity and group velocity
3 Sinusoidal waves
4 Plane waves
5 Standing waves
6 Physical properties
6.1 Transmission and media
6.2 Absorption
6.3 Reflection
6.4 Interference
6.5 Refraction
6.6 Diffraction
6.7 Polarization
6.8 Dispersion
7 Mechanical waves
7.1 Waves on strings
7.2 Acoustic waves
7.3 Water waves
7.4 Seismic waves
7.5 Shock waves
7.6 Other
8 Electromagnetic waves
9 Quantum mechanical waves
9.1 de Broglie waves
10 Gravitational waves
11 WKB method
12 References
13 See also
14 Sources
15 External links
[edit]General features

A single, all-encompassing definition for the term wave is not straightforward. A vibration can be defined as a back-and-forth motion around a reference value. However, a vibration is not necessarily a wave. An attempt to define the necessary and sufficient characteristics that qualify a phenomenon to be called a wave results in a fuzzy border line.
The term wave is often intuitively understood as referring to a transport of spatial disturbances that are generally not accompanied by a motion of the medium occupying this space as a whole. In a wave, the energy of a vibration is moving away from the source in the form of a disturbance within the surrounding medium (Hall 1980, p. 8). However, this notion is problematic for a standing wave (for example, a wave on a string), where energy is moving in both directions equally, or for electromagnetic / light waves in a vacuum, where the concept of medium does not apply and the inherent interaction of its component is the main reason of its motion and broadcasting. There are water waves on the ocean surface; light waves emitted by the Sun; microwaves used in microwave ovens; radio waves broadcast by radio stations; and sound waves generated by radio receivers, telephone handsets and living creatures (as voices).
It may appear that the description of waves is closely related to their physical origin for each specific instance of a wave process. For example, acoustics is distinguished from optics in that sound waves are related to a mechanical rather than an electromagnetic wave transfer caused by vibration. Concepts such as mass, momentum, inertia, or elasticity, become therefore crucial in describing acoustic (as distinct from optic) wave processes. This difference in origin introduces certain wave characteristics particular to the properties of the medium involved. For example, in the case of air: vortices, radiation pressure, shock waves etc.; in the case of solids: Rayleigh waves, dispersion etc.; and so on.
Other properties, however, although they are usually described in an origin-specific manner, may be generalized to all waves. For such reasons, wave theory represents a particular branch of physics that is concerned with the properties of wave processes independently from their physical origin.[1] For example, based on the mechanical origin of acoustic waves, a moving disturbance in space–time can exist if and only if the medium involved is neither infinitely stiff nor infinitely pliable. If all the parts making up a medium were rigidly bound, then they would all vibrate as one, with no delay in the transmission of the vibration and therefore no wave motion. This is impossible because it would violate general relativity. On the other hand, if all the parts were independent, then there would not be any transmission of the vibration and again, no wave motion. Although the above statements are meaningless in the case of waves that do not require a medium, they reveal a characteristic that is relevant to all waves regardless of origin: within a wave, the phase of a vibration (that is, its position within the vibration cycle) is different for adjacent points in space because the vibration reaches these points at different times.
Similarly, wave processes revealed from the study of waves other than sound waves can be significant to the understanding of sound phenomena. A relevant example is Thomas Young's principle of interference (Young, 1802, in Hunt 1992, p. 132). This principle was first introduced in Young's study of light and, within some specific contexts (for example, scattering of sound by sound), is still a researched area in the study of sound.
[edit]Mathematical description of one-dimensional waves

[edit]Wave equation
Main articles: Wave equation and D'Alembert's formula
Consider a traveling transverse wave (which may be a pulse) on a string (the medium). Consider the string to have a single spatial dimension. Consider this wave as traveling


Wavelength λ, can be measured between any two corresponding points on a waveform
in the direction in space. E.g., let the positive direction be to the right, and the negative direction be to the left.
with constant amplitude
with constant velocity , where is
independent of wavelength (no dispersion)
independent of amplitude (linear media, not nonlinear).[2]
with constant waveform, or shape
This wave can then be described by the two-dimensional functions
(waveform traveling to the right)
(waveform traveling to the left)
or, more generally, by d'Alembert's formula:[3]

representing two component waveforms and traveling through the medium in opposite directions. This wave can also be represented by the partial differential equation

General solutions are based upon Duhamel's principle.[4]
[edit]Wave forms


Sine, square, triangle and sawtooth waveforms.
The form or shape of F in d'Alembert's formula involves the argument x − vt. Constant values of this argument correspond to constant values of F, and these constant values occur if x increases at the same rate that vt increases. That is, the wave shaped like the function F will move in the positive x-direction at velocity v (and G will propagate at the same speed in the negative x-direction).[5]
In the case of a periodic function F with period λ, that is, F(x + λ − vt) = F(x − vt), the periodicity of F in space means that a snapshot of the wave at a given time t finds the wave varying periodically in space with period λ (the wavelength of the wave). In a similar fashion, this periodicity of F implies a periodicity in time as well: F(x − v(t + T)) = F(x − vt) provided vT = λ, so an observation of the wave at a fixed location x finds the wave undulating periodically in time with period T = λ/v.[6]
[edit]Amplitude and modulation


Illustration of the envelope (the slowly varying red curve) of an amplitude-modulated wave. The fast varying blue curve is the carrier wave, which is being modulated.
Main article: Amplitude modulation
See also: Frequency modulation and Phase modulation
The amplitude of a wave may be constant (in which case the wave is a c.w. or continuous wave), or may be modulated so as to vary with time and/or position. The outline of the variation in amplitude is called the envelope of the wave. Mathematically, the modulated wave can be written in the form:[7][8][9]

where is the amplitude envelope of the wave, is the wavenumber and is the phase. If the group velocity (see below) is wavelength-independent, this equation can be simplified as:[10]

showing that the envelope moves with the group velocity and retains its shape. Otherwise, in cases where the group velocity varies with wavelength, the pulse shape changes in a manner often described using an envelope equation.[10][11]
[edit]Phase velocity and group velocity

Frequency dispersion in groups of gravity waves on the surface of deep water. The red dot moves with the phase velocity, and the green dots propagate with the group velocity.
Main articles: Phase velocity and Group velocity
There are two velocities that are associated with waves, the phase velocity and the group velocity. To understand them, one must consider several types of waveform. For simplification, examination is restricted to one dimension.

This shows a wave with the Group velocity and Phase velocity going in different directions.
The most basic wave (a form of plane wave) may be expressed in the form:

which can be related to the usual sine and cosine forms using Euler's formula. Rewriting the argument, , makes clear that this expression describes a vibration of wavelength traveling in the x-direction with a constant phase velocity .[12]
The other type of wave to be considered is one with localized structure described by an envelope, which may be expressed mathematically as, for example:

where now A(k1) (the integral is the inverse fourier transform of A(k1)) is a function exhibiting a sharp peak in a region of wave vectors Δk surrounding the point k1 = k. In exponential form:

with Ao the magnitude of A. For example, a common choice for Ao is a Gaussian wave packet:[13]

where σ determines the spread of k1-values about k, and N is the amplitude of the wave.
The exponential function inside the integral for ψ oscillates rapidly with its argument, say φ(k1), and where it varies rapidly, the exponentials cancel each other out, interfere destructively, contributing little to ψ.[12] However, an exception occurs at the location where the argument φ of the exponential varies slowly. (This observation is the basis for the method of stationary phase for evaluation of such integrals.[14]) The condition for φ to vary slowly is that its rate of change with k1 be small; this rate of variation is:[12]

where the evaluation is made at k1 = k because A(k1) is centered there. This result shows that the position x where the phase changes slowly, the position where ψ is appreciable, moves with time at a speed called the group velocity:

The group velocity therefore depends upon the dispersion relation connecting ω and k. For example, in quantum mechanics the energy of a particle represented as a wave packet is E = ħω = (ħk)2/(2m). Consequently, for that wave situation, the group velocity is

showing that the velocity of a localized particle in quantum mechanics is its group velocity.[12] Because the group velocity varies with k, the shape of the wave packet broadens with time, and the particle becomes less localized.[15] In other words, the velocity of the constituent waves of the wave packet travel at a rate that varies with their wavelength, so some move faster than others, and they cannot maintain the same interference pattern as the wave propagates.
[edit]Sinusoidal waves



Sinusoidal waves correspond to simple harmonic motion.
Mathematically, the most basic wave is the (spatially) one-dimensional sine wave (or harmonic wave or sinusoid) with an amplitude described by the equation:

where
is the maximum amplitude of the wave, maximum distance from the highest point of the disturbance in the medium (the crest) to the equilibrium point during one wave cycle. In the illustration to the right, this is the maximum vertical distance between the baseline and the wave.
is the space coordinate
is the time coordinate
is the wavenumber
is the angular frequency
is the phase.
The units of the amplitude depend on the type of wave. Transverse mechanical waves (e.g., a wave on a string) have an amplitude expressed as a distance (e.g., meters), longitudinal mechanical waves (e.g., sound waves) use units of pressure (e.g., pascals), and electromagnetic waves (a form of transverse vacuum wave) express the amplitude in terms of its electric field (e.g., volts/meter).
The wavelength is the distance between two sequential crests or troughs (or other equivalent points), generally is measured in meters. A wavenumber , the spatial frequency of the wave in radians per unit distance (typically per meter), can be associated with the wavelength by the relation

The period is the time for one complete cycle of an oscillation of a wave. The frequency is the number of periods per unit time (per second) and is typically measured in hertz. These are related by:

In other words, the frequency and period of a wave are reciprocals.
The angular frequency represents the frequency in radians per second. It is related to the frequency or period by

The wavelength of a sinusoidal waveform traveling at constant speed is given by:[16]

where is called the phase speed (magnitude of the phase velocity) of the wave and is the wave's frequency.
Wavelength can be a useful concept even if the wave is not periodic in space. For example, in an ocean wave approaching shore, the incoming wave undulates with a varying local wavelength that depends in part on the depth of the sea floor compared to the wave height. The analysis of the wave can be based upon comparison of the local wavelength with the local water depth.[17]
Although arbitrary wave shapes will propagate unchanged in lossless linear time-invariant systems, in the presence of dispersion the sine wave is the unique shape that will propagate unchanged but for phase and amplitude, making it easy to analyze.[18] Due to the Kramers–Kronig relations, a linear medium with dispersion also exhibits loss, so the sine wave propagating in a dispersive medium is attenuated in certain frequency ranges that depend upon the medium.[19] The sine function is periodic, so the sine wave or sinusoid has a wavelength in space and a period in time.[20][21]
The sinusoid is defined for all times and distances, whereas in physical situations we usually deal with waves that exist for a limited span in space and duration in time. Fortunately, an arbitrary wave shape can be decomposed into an infinite set of sinusoidal waves by the use of Fourier analysis. As a result, the simple case of a single sinusoidal wave can be applied to more general cases.[22][23] In particular, many media are linear, or nearly so, so the calculation of arbitrary wave behavior can be found by adding up responses to individual sinusoidal waves using the superposition principle to find the solution for a general waveform.[24] When a medium is nonlinear, the response to complex waves cannot be determined from a sine-wave decomposition.
[edit]Plane waves

Main article: Plane wave
[edit]Standing waves

Main articles: Standing wave, Acoustic resonance, Helmholtz resonator, and Organ pipe

Standing wave in stationary medium. The red dots represent the wave nodes
A standing wave, also known as a stationary wave, is a wave that remains in a constant position. This phenomenon can occur because the medium is moving in the opposite direction to the wave, or it can arise in a stationary medium as a result of interference between two waves traveling in opposite directions.
The sum of two counter-propagating waves (of equal amplitude and frequency) creates a standing wave. Standing waves commonly arise when a boundary blocks further propagation of the wave, thus causing wave reflection, and therefore introducing a counter-propagating wave. For example when a violin string is displaced, transverse waves propagate out to where the string is held in place at the bridge and the nut, where the waves are reflected back. At the bridge and nut, the two opposed waves are in antiphase and cancel each other, producing a node. Halfway between two nodes there is an antinode, where the two counter-propagating waves enhance each other maximally. There is no net propagation of energy over time.

One-dimensional standing waves; the fundamental mode and the first 6 overtones.



A two-dimensional standing wave on a disk; this is the fundamental mode.



A standing wave on a disk with two nodal lines crossing at the center; this is an overtone.

[edit]Physical properties



Light beam exhibiting reflection, refraction, transmission and dispersion when encountering a prism
Waves exhibit common behaviors under a number of standard situations, e.g.,
[edit]Transmission and media
Main articles: Rectilinear propagation, Transmittance, and Transmission medium
Waves normally move in a straight line (i.e. rectilinearly) through a transmission medium. Such media can be classified into one or more of the following categories:
A bounded medium if it is finite in extent, otherwise an unbounded medium
A linear medium if the amplitudes of different waves at any particular point in the medium can be added
A uniform medium or homogeneous medium if its physical properties are unchanged at different locations in space
An anisotropic medium if one or more of its physical properties differ in one or more directions
An isotropic medium if its physical properties are the same in all directions
[edit]Absorption
Main articles: Absorption (acoustics) and Absorption (electromagnetic radiation)
[edit]Reflection
Main article: Reflection (physics)
When a wave strikes a reflective surface, it changes direction, such that the angle made by the incident wave and line normal to the surface equals the angle made by the reflected wave and the same normal line.
[edit]Interference
Main article: Interference (wave propagation)
Waves that encounter each other combine through superposition to create a new wave called an interference pattern. Important interference patterns occur for waves that are in phase.
[edit]Refraction
Main article: Refraction


Sinusoidal traveling plane wave entering a region of lower wave velocity at an angle, illustrating the decrease in wavelength and change of direction (refraction) that results.
Refraction is the phenomenon of a wave changing its speed. Mathematically, this means that the size of the phase velocity changes. Typically, refraction occurs when a wave passes from one medium into another. The amount by which a wave is refracted by a material is given by the refractive index of the material. The directions of incidence and refraction are related to the refractive indices of the two materials by Snell's law.
[edit]Diffraction
Main article: Diffraction
A wave exhibits diffraction when it encounters an obstacle that bends the wave or when it spreads after emerging from an opening. Diffraction effects are more pronounced when the size of the obstacle or opening is comparable to the wavelength of the wave.
[edit]Polarization
Main article: Polarization (waves)


A wave is polarized if it oscillates in one direction or plane. A wave can be polarized by the use of a polarizing filter. The polarization of a transverse wave describes the direction of oscillation in the plane perpendicular to the direction of travel.
Longitudinal waves such as sound waves do not exhibit polarization. For these waves the direction of oscillation is along the direction of travel.
[edit]Dispersion


Schematic of light being dispersed by a prism. Click to see animation.
Main articles: Dispersion (optics) and Dispersion (water waves)
A wave undergoes dispersion when either the phase velocity or the group velocity depends on the wave frequency. Dispersion is most easily seen by letting white light pass through a prism, the result of which is to produce the spectrum of colours of the rainbow. Isaac Newton performed experiments with light and prisms, presenting his findings in the Opticks (1704) that white light consists of several colours and that these colours cannot be decomposed any further.[25]
[edit]Mechanical waves

Main article: Mechanical wave
[edit]Waves on strings
Main article: Vibrating string
The speed of a wave traveling along a vibrating string ( v ) is directly proportional to the square root of the tension of the string ( T ) over the linear mass density ( μ ):

where the linear density μ is the mass per unit length of the string.
[edit]Acoustic waves
Acoustic or sound waves travel at speed given by

or the square root of the adiabatic bulk modulus divided by the ambient fluid density (see speed of sound).
[edit]Water waves


Main article: Water waves
Ripples on the surface of a pond are actually a combination of transverse and longitudinal waves; therefore, the points on the surface follow orbital paths.
Sound—a mechanical wave that propagates through gases, liquids, solids and plasmas;
Inertial waves, which occur in rotating fluids and are restored by the Coriolis effect;
Ocean surface waves, which are perturbations that propagate through water.
[edit]Seismic waves
Main article: Seismic waves
[edit]Shock waves

Main article: Shock wave
See also: Sonic boom and Cherenkov radiation
[edit]Other
Waves of traffic, that is, propagation of different densities of motor vehicles, and so forth, which can be modeled as kinematic waves[26]
Metachronal wave refers to the appearance of a traveling wave produced by coordinated sequential actions.
[edit]Electromagnetic waves



Main articles: Electromagnetic radiation and Electromagnetic spectrum
(radio, micro, infrared, visible, uv)
An electromagnetic wave consists of two waves that are oscillations of the electric and magnetic fields. An electromagnetic wave travels in a direction that is at right angles to the oscillation direction of both fields. In the 19th century, James Clerk Maxwell showed that, in vacuum, the electric and magnetic fields satisfy the wave equation both with speed equal to that of the speed of light. From this emerged the idea that light is an electromagnetic wave. Electromagnetic waves can have different frequencies (and thus wavelengths), giving rise to various types of radiation such as radio waves, microwaves, infrared, visible light, ultraviolet and X-rays.
[edit]Quantum mechanical waves

Main article: Schrödinger equation
See also: Wave function
The Schrödinger equation describes the wave-like behavior of particles in quantum mechanics. Solutions of this equation are wave functions which can be used to describe the probability density of a particle.


A propagating wave packet; in general, the envelope of the wave packet moves at a different speed than the constituent waves.[27]
[edit]de Broglie waves
Main articles: Wave packet and Matter wave
Louis de Broglie postulated that all particles with momentum have a wavelength

where h is Planck's constant, and p is the magnitude of the momentum of the particle. This hypothesis was at the basis of quantum mechanics. Nowadays, this wavelength is called the de Broglie wavelength. For example, the electrons in a CRT display have a de Broglie wavelength of about 10−13 m.
A wave representing such a particle traveling in the k-direction is expressed by the wave function:

where the wavelength is determined by the wave vector k as:

and the momentum by:

However, a wave like this with definite wavelength is not localized in space, and so cannot represent a particle localized in space. To localize a particle, de Broglie proposed a superposition of different wavelengths ranging around a central value in a wave packet,[28] a waveform often used in quantum mechanics to describe the wave function of a particle. In a wave packet, the wavelength of the particle is not precise, and the local wavelength deviates on either side of the main wavelength value.
In representing the wave function of a localized particle, the wave packet is often taken to have a Gaussian shape and is called a Gaussian wave packet.[29] Gaussian wave packets also are used to analyze water waves.[30]
For example, a Gaussian wavefunction ψ might take the form:[31]

at some initial time t = 0, where the central wavelength is related to the central wave vector k0 as λ0 = 2π / k0. It is well known from the theory of Fourier analysis,[32] or from the Heisenberg uncertainty principle (in the case of quantum mechanics) that a narrow range of wavelengths is necessary to produce a localized wave packet, and the more localized the envelope, the larger the spread in required wavelengths. The Fourier transform of a Gaussian is itself a Gaussian.[33] Given the Gaussian:

the Fourier transform is:

The Gaussian in space therefore is made up of waves:

that is, a number of waves of wavelengths λ such that kλ = 2 π.
The parameter σ decides the spatial spread of the Gaussian along the x-axis, while the Fourier transform shows a spread in wave vector k determined by 1/σ. That is, the smaller the extent in space, the larger the extent in k, and hence in λ = 2π/k.


Animation showing the effect of a cross-polarized gravitational wave on a ring of test particles
[edit]Gravitational waves

Main article: Gravitational wave
Researchers believe that gravitational waves also travel through space, although gravitational waves have never been directly detected. Not to be confused with gravity waves, gravitational waves are disturbances in the curvature of spacetime, predicted by Einstein's theory of general relativity.
[edit]WKB method

Main article: WKB method
See also: Slowly varying envelope approximation
In a nonuniform medium, in which the wavenumber k can depend on the location as well as the frequency, the phase term kx is typically replaced by the integral of k(x)dx, according to the WKB method. Such nonuniform traveling waves are common in many physical problems, including the mechanics of the cochlea and waves on hanging ropes.
[edit]References

^ Lev A. Ostrovsky & Alexander I. Potapov (2002). Modulated waves: theory and application. Johns Hopkins University Press. ISBN 0801873258.
^ Michael A. Slawinski (2003). "Wave equations". Seismic waves and rays in elastic media. Elsevier. pp. 131 ff. ISBN 0080439306.
^ Karl F Graaf (1991). Wave motion in elastic solids (Reprint of Oxford 1975 ed.). Dover. pp. 13–14. ISBN 9780486667454.
^ Jalal M. Ihsan Shatah, Michael Struwe (2000). "The linear wave equation". Geometric wave equations. American Mathematical Society Bookstore. pp. 37 ff. ISBN 0821827499.
^ Louis Lyons (1998). All you wanted to know about mathematics but were afraid to ask. Cambridge University Press. pp. 128 ff. ISBN 052143601X.
^ Alexander McPherson (2009). "Waves and their properties". Introduction to Macromolecular Crystallography (2 ed.). Wiley. p. 77. ISBN 0470185902.
^ Christian Jirauschek (2005). FEW-cycle Laser Dynamics and Carrier-envelope Phase Detection. Cuvillier Verlag. p. 9. ISBN 3865374190.
^ Fritz Kurt Kneubühl (1997). Oscillations and waves. Springer. p. 365. ISBN 354062001X.
^ Mark Lundstrom (2000). Fundamentals of carrier transport. Cambridge University Press. p. 33. ISBN 0521631343.
^ a b Chin-Lin Chen (2006). "§13.7.3 Pulse envelope in nondispersive media". Foundations for guided-wave optics. Wiley. p. 363. ISBN 0471756873.
^ Stefano Longhi, Davide Janner (2008). "Localization and Wannier wave packets in photonic crystals". In Hugo E. Hernández-Figueroa, Michel Zamboni-Rached, Erasmo Recami. Localized Waves. Wiley-Interscience. p. 329. ISBN 0470108851.
^ a b c d Albert Messiah (1999). Quantum Mechanics (Reprint of two-volume Wiley 1958 ed.). Courier Dover. pp. 50–52. ISBN 9780486409245.
^ See, for example, Eq. 2(a) in Walter Greiner, D. Allan Bromley (2007). Quantum Mechanics: An introduction (2nd ed.). Springer. pp. 60–61. ISBN 3540674586.
^ John W. Negele, Henri Orland (1998). Quantum many-particle systems (Reprint in Advanced Book Classics ed.). Westview Press. p. 121. ISBN 0738200522.
^ Donald D. Fitts (1999). Principles of quantum mechanics: as applied to chemistry and chemical physics. Cambridge University Press. pp. 15 ff. ISBN 0521658411.
^ David C. Cassidy, Gerald James Holton, Floyd James Rutherford (2002). Understanding physics. Birkhäuser. pp. 339 ff. ISBN 0387987568.
^ Paul R Pinet (2009). op. cit.. p. 242. ISBN 0763759937.
^ Mischa Schwartz, William R. Bennett, and Seymour Stein (1995). Communication Systems and Techniques. John Wiley and Sons. p. 208. ISBN 9780780347151.
^ See Eq. 5.10 and discussion in A. G. G. M. Tielens (2005). The physics and chemistry of the interstellar medium. Cambridge University Press. pp. 119 ff. ISBN 0521826349.; Eq. 6.36 and associated discussion in Otfried Madelung (1996). Introduction to solid-state theory (3rd ed.). Springer. pp. 261 ff. ISBN 354060443X.; and Eq. 3.5 in F Mainardi (1996). "Transient waves in linear viscoelastic media". In Ardéshir Guran, A. Bostrom, Herbert Überall, O. Leroy. Acoustic Interactions with Submerged Elastic Structures: Nondestructive testing, acoustic wave propagation and scattering. World Scientific. p. 134. ISBN 9810242719.
^ Aleksandr Tikhonovich Filippov (2000). The versatile soliton. Springer. p. 106. ISBN 0817636358.
^ Seth Stein, Michael E. Wysession (2003). An introduction to seismology, earthquakes, and earth structure. Wiley-Blackwell. p. 31. ISBN 0865420785.
^ Seth Stein, Michael E. Wysession (2003). op. cit.. p. 32. ISBN 0865420785.
^ Kimball A. Milton, Julian Seymour Schwinger (2006). Electromagnetic Radiation: Variational Methods, Waveguides and Accelerators. Springer. p. 16. ISBN 3540293043. "Thus, an arbitrary function f(r, t) can be synthesized by a proper superposition of the functions exp[i (k·r−ωt)]..."
^ Raymond A. Serway and John W. Jewett (2005). "§14.1 The Principle of Superposition". Principles of physics (4th ed.). Cengage Learning. p. 433. ISBN 053449143X.
^ Newton, Isaac (1704). "Prop VII Theor V". Opticks: Or, A treatise of the Reflections, Refractions, Inflexions and Colours of Light. Also Two treatises of the Species and Magnitude of Curvilinear Figures. 1. London. p. 118. "All the Colours in the Universe which are made by Light... are either the Colours of homogeneal Lights, or compounded of these..."
^ M. J. Lighthill; G. B. Whitham (1955). "On kinematic waves. II. A theory of traffic flow on long crowded roads". Proceedings of the Royal Society of London. Series A 229: 281–345. Bibcode 1955RSPSA.229..281L. doi:10.1098/rspa.1955.0088. And: P. I. Richards (1956). "Shockwaves on the highway". Operations Research 4 (1): 42–51. doi:10.1287/opre.4.1.42.
^ A. T. Fromhold (1991). "Wave packet solutions". Quantum Mechanics for Applied Physics and Engineering (Reprint of Academic Press 1981 ed.). Courier Dover Publications. pp. 59 ff. ISBN 0486667413. "(p. 61) ...the individual waves move more slowly than the packet and therefore pass back through the packet as it advances"
^ Ming Chiang Li (1980). "Electron Interference". In L. Marton & Claire Marton. Advances in Electronics and Electron Physics. 53. Academic Press. p. 271. ISBN 0120146533.
^ See for example Walter Greiner, D. Allan Bromley (2007). Quantum Mechanics (2 ed.). Springer. p. 60. ISBN 3540674586. and John Joseph Gilman (2003). Electronic basis of the strength of materials. Cambridge University Press. p. 57. ISBN 0521620058.,Donald D. Fitts (1999). Principles of quantum mechanics. Cambridge University Press. p. 17. ISBN 0521658411..
^ Chiang C. Mei (1989). The applied dynamics of ocean surface waves (2nd ed.). World Scientific. p. 47. ISBN 9971507897.
^ Walter Greiner, D. Allan Bromley (2007). Quantum Mechanics (2nd ed.). Springer. p. 60. ISBN 3540674586.
^ Siegmund Brandt, Hans Dieter Dahmen (2001). The picture book of quantum mechanics (3rd ed.). Springer. p. 23. ISBN 0387951415.
^ Cyrus D. Cantrell (2000). Modern mathematical methods for physicists and engineers. Cambridge University Press. p. 677. ISBN 0521598273.
[edit]See also

Audience wave
Beat waves
Capillary waves
Cymatics
Doppler effect
Envelope detector
Group velocity
Harmonic
Inertial wave
List of wave topics
List of waves named after people
Ocean surface wave
Phase velocity
Reaction-diffusion equation
Resonance
Ripple tank
Rogue wave (oceanography)
Shallow water equations
Shive wave machine
Standing wave
Transmission medium
Wave turbulence
Waves in plasmas
[edit]Sources

Campbell, M. and Greated, C. (1987). The Musician’s Guide to Acoustics. New York: Schirmer Books.
French, A.P. (1971). Vibrations and Waves (M.I.T. Introductory physics series). Nelson Thornes. ISBN 0-393-09936-9. OCLC 163810889.
Hall, D. E. (1980). Musical Acoustics: An Introduction. Belmont, California: Wadsworth Publishing Company. ISBN 0534007589..
Hunt, F. V. (1992) ([dead link]). Origins in Acoustics. New York: Acoustical Society of America Press..
Ostrovsky, L. A.; Potapov, A. S. (1999). Modulated Waves, Theory and Applications. Baltimore: The Johns Hopkins University Press. ISBN 0801858704..
Vassilakis, P.N. (2001). Perceptual and Physical Properties of Amplitude Fluctuation and their Musical Significance. Doctoral Dissertation. University of California, Los Angeles.
[edit]External links

Wikimedia Commons has media related to: Wave
Look up wave in Wiktionary, the free dictionary.
Interactive Visual Representation of Waves
Science Aid: Wave properties—Concise guide aimed at teens
Simulation of diffraction of water wave passing through a gap
Simulation of interference of water waves
Simulation of longitudinal traveling wave
Simulation of stationary wave on a string
Simulation of transverse traveling wave
Sounds Amazing—AS and A-Level learning resource for sound and waves
chapter from an online textbook
Simulation of waves on a string
of longitudinal and transverse mechanical wave
MIT OpenCourseWare 8.03: Vibrations and Waves Free, independent study course with video lectures, assignments, lecture notes and exams.