తరంగాలు

కణాల అలజడుల కంపనాలు!  

దూరంగా నిలబడిన వ్యక్తి చప్పట్లు కొట్టగానే వెనక్కి తిరుగుతాడు.  చెరువు మధ్యలోకి రాయి వేస్తే పుట్టిన అలలు, గట్టు మీద కూర్చున్న వాళ్ల కాళ్లను తాకుతాయి. ఎఫ్‌ఎం పెట్టగానే ఎక్కడో పెట్టిన సంగీతం కారులో వినిపిస్తుంది. చీకట్లో పక్కనే ఉన్నా తెలియని వస్తువు, వెలుతురులో అక్కడెక్కడో ఉన్నా కనిపిస్తుంది. వీటన్నింటికీ కారణం గాలిలో, నీళ్లల్లో, కాంతిలో ఏర్పడే అలజడులు. అవి గాలిలో అయితే చప్పట్లు, సంగీతంగా మారతాయి. నీళ్లలో అలలుగా తరలి వస్తాయి. వెలుగులో కాంతిగా కళ్లను చేరతాయి. ఆసక్తికరమైన ఈ అంశాలన్నీ భౌతికశాస్త్రంలోని తరంగాల గురించి తెలుసుకుంటే అర్థమవుతాయి. 

నిశ్చల స్థితిలో ఉన్న కొలను నీటిలో రాయి వేసినప్పుడు ఏర్పడిన అలజడి, వలయాల రూపంలో తీరంవైపు ప్రయాణించడాన్ని తరంగం అంటారు. యానకంలోని కణాల పునరావర్తన కంపన చలనం వల్ల ఒక చోట పుట్టిన అలజడి మరో చోటికి ప్రయాణించడమే తరంగ చలనం. చప్పట్లు కొట్టడంతో గాలిలో ఉత్పత్తి అయిన అలజడి యానకం (గాలి)లో కణాలు కంపించడం ద్వారా మన చెవిని చేరుతుంది. ధ్వని తరంగాల ప్రసారానికి యానకం అవసరం. కానీ కాంతి తరంగాల ప్రయాణానికి యానకం అక్కర్లేదు. 

తరంగాలు - రకాలు: తరంగాలను ప్రధానంగా మూడు రకాలుగా వర్గీకరించారు.

1) యాంత్రిక తరంగాలు: యానకం ద్వారా మాత్రమే ప్రయాణించే తరంగాలను యాంత్రిక తరంగాలు అంటారు. 

ఉదా: ధ్వని తరంగాలు, భూకంప తరంగాలు, తీగలపై ప్రయాణించే తరంగాలు, నీటి ఉపరితలంతో పాటు అంతర్భాగంలో ప్రయాణించే తరంగాలు.

2) విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు:  యానకం ఉన్నా, లేకపోయినా ప్రయాణించే తరంగాలను విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు అంటారు. ఇవి శూన్యంలో కూడా ప్రయాణిస్తాయి.  

ఉదా: X - కిరణాలు, UV - కిరణాలు, IR -  కిరణాలు, రేడియో తరంగాలు, దృశ్యకాంతి మొదలైనవి.

విద్యుదయస్కాంత తరంగాలన్నీ శూన్యంలో కాంతివేగంతో ప్రయాణిస్తాయి. విద్యుదయస్కాంత తరంగాలను సిద్ధాంతపరంగా ప్రతిపాదించిన శాస్త్రవేత్త మాక్స్‌వెల్‌. తొలి విద్యుదయస్కాంత తరంగాన్ని ప్రయోగశాలలో సృష్టించిన శాస్త్రవేత్త  రుడాల్ఫ్‌ హెర్ట్జ్‌

3) ద్రవ్యతరంగాలు:  ఎలక్ట్రాన్, ప్రోటాన్, న్యూట్రాన్‌ లాంటి అతి చిన్న ద్రవ్యకణాలు కాంతివేగంతో పోల్చగలిగిన వేగాలతో ప్రయాణిస్తే, వాటితో ద్రవ్యతరంగాలు ముడిపడి ఉంటాయని డీ బ్రోగ్లీ అనే శాస్త్రవేత్త తెలిపాడు. ఎలక్ట్రాన్‌ మైక్రోస్కోప్‌ (సూక్ష్మదర్శిని) ఎలక్ట్రాన్‌ల ద్రవ్యతరంగాల ఆధారంగా పనిచేస్తుంది.

* యాంత్రిక తరంగాలు యానకంలోని కణాల దిశ ఆధారంగా రెండు రకాలుగా ఉంటాయి.

ఎ) తిర్యక్‌ తరంగాలు: యానకంలోని కణాలు తరంగ చలన దిశకు లంబంగా కంపిస్తే వాటిని తిర్యక్‌ తరంగాలు అంటారు.

తిర్యక్‌ తరంగాల్లో ఎత్తు, లోతు బిందువులను వరుసగా శృంగం, ద్రోణి అని పిలుస్తారు. రెండు వరుస శృంగాలు, ద్రోణుల మధ్య దూరాన్ని తరంగదైర్ఘ్యం λ అంటారు. ఒక శృంగం దాని పక్కనే ఉండే ద్రోణి మధ్య దూరాన్నిλ/2  తో సూచిస్తారు.

ఉదా: తాడులో తరంగాలు, తీగలోని తరంగాలు, నీటిలోని తరంగాలు.

బి) అనుదైర్ఘ్య తరంగాలు: యానకంలోని కణాలు తరంగ చలన దిశకు సమాంతరంగా కంపిస్తే వాటిని అనుదైర్ఘ్య తరంగాలు అంటారు.

ఇందులో కణాలు దగ్గరగా ఉండే ప్రాంతాన్ని సంపీడనాలు అని, దూరంగా ఉన్న ప్రాంతాన్ని విరళీకరణాలు అంటారు. సంపీడన స్థానం వద్ద పీడనం, సాంద్రతలు గరిష్ఠంగా ఉంటాయి. విరళీకరణం వద్ద పీడనం, సాంద్రతలు కనిష్ఠంగా ఉంటాయి. అనుదైర్ఘ్య తరంగాలను అన్నీ యానకాల్లో సృష్టించవచ్చు, ప్రసారం చేయవచ్చు. రెండు వరుస సంపీడనాలు లేదా విరళీకరణాల మధ్య దూరాన్ని తరంగ దైర్ఘ్యం (λ) అంటారు. ఒక సంపీడనం, దాని పక్కనే ఉన్న విరళీకరణం మధ్య దూరాన్ని λ/2  తో సూచిస్తారు.

ఉదా: ధ్వని తరంగాలు, స్ప్రింగ్‌లో ఏర్పడే తరంగాలు, భూకంపం సంభవించే సమయంలో ఏర్పడే ప్రాథమిక తరంగాలు.

శబ్ద తరంగాల ధర్మాలు

1) పరావర్తనం: కాంతి మాదిరిగా ధ్వని కూడా వస్తువుల తలాలను తాకి మళ్లీ (తిరిగి) వెనక్కి ప్రయాణిస్తుంది. గుండెచప్పుడు వినడానికి ఉపయోగించే స్టెతస్కోపు ధ్వని బహుళ పరావర్తన ధర్మం ఆధారంగా పనిచేస్తుంది. శంకువు ఆకారంలో ఉండే మెగాఫోన్స్, షహనాయ్, క్లారినేట్‌ లాంటి వాయిద్యాల్లో ధ్వని బహుళ పరావర్తనం చెందడంతో అది ముందు దిశలోకి ప్రయాణిస్తుంది. గబ్బిలం ఆహారాన్ని సేకరించడానికి వెళ్లే సమయంలో ధ్వని పరావర్తన ధర్మాన్ని ఉపయోగిస్తుంది. నీటిలో మునిగి ఉండే వస్తువులను గుర్తించే SONAR కూడా ధ్వని పరావర్తనం ఆధారంగానే పనిచేస్తుంది.

* ఆడిటోరియాలు, సినిమాహాళ్లలో ప్రతినాద సమస్యను నివారించడానికి వాటి గోడల్లో ధ్వనిశోషక పదార్థాలను (థర్మోకోల్, కర్రలు) ఏర్పాటు చేయాలి.

* ఒక పరిశీలకుడు రెండు ధ్వనులను విడివిడిగా, స్పష్టంగా వినాలంటే వాటి మధ్య ఉండాల్సిన కనీస కాలవ్యవధి 0.1 సెకను.

* ఒక తలంపై పడిన ధ్వని తిరిగి పరిశీలకుడి చెవిని చేరితే దాన్ని ప్రతి ధ్వని అంటారు.

* ప్రతి ధ్వనిని స్పష్టంగా వినడానికి పరిశీలకుడు, పరావర్తన తలాల మధ్య ఉండాల్సిన కనీస దూరం 16.5 మీ. ధ్వని శోషణ గుణకానికి S.I. ప్రమాణం మెట్రిక్‌  సబైన్‌.

2) వక్రీభవనం: కాంతిలాగే ధ్వని కూడా ఒక యానకం నుంచి మరో యానకంలోకి ప్రయాణిస్తే యానకాలు వేరుచేసే తలం వద్ద వంగి ప్రయాణిస్తుంది. ఆ ధర్మాన్ని వక్రీభవనం అంటారు. వేర్వేరు యానకాల్లో ధ్వని వేగం వేరుగా ఉండటం వల్ల వక్రీభవనం ఏర్పడుతుంది. ఉదయం, సాయంకాలాల్లో భూఉపరితలంపై ధ్వని ఎక్కువ దూరం ప్రయాణిస్తుంది. ఈ సందర్భంలో వాతావరణం కింది పొరలు చల్లగా, పై పొరలు వేడిగా ఉంటాయి. పై పొరల్లో ప్రయాణించే ధ్వనులు కింది పొరలపై వక్రీభవనం చెందుతాయి. వేడిగా ఉండే మధ్యాహ్నం సమయంలో ఉపరితలానికి సమీపంలో ప్రయాణించే ధ్వనులు పై దిశలోకి వక్రీభవనం చెందుతాయి.

3) వ్యతికరణం: రెండు తరంగాలు ఒకే దిశలో ఒకే ప్రాంతం ద్వారా ప్రయాణిస్తున్నప్పుడు అవి ఒకదానిపై మరొకటి అధ్యారోపణం చెంది ఫలిత తీవ్రతలో హెచ్చుతగ్గులు ఏర్పడే ప్రక్రియను వ్యతికరణం అంటారు. రెండు తరంగాలు ఒకే దిశలో కలుసుకునే చోట నిర్మాణాత్మక వ్యతికరణం ఏర్పడి తీవ్రత గరిష్ఠం అవుతుంది. రెండు తరంగాలు వ్యతిరేక దిశలో కలిసేచోట విధ్వంసక వ్యతికరణం ఏర్పడి తీవ్రత కనిష్ఠం అవుతుంది. వ్యతికరణ ప్రక్రియలో శక్తినిత్యత్వ నియమం అంతర్లీనంగా ఉంటుంది. అంటే శక్తి పునర్విభజన జరుగుతుందే తప్ప శక్తి నష్టం లేదా ఉత్పత్తి కావడం ఉండదు. ధ్వని తరంగాల విషయంలో వ్యతికరణాన్ని విస్పందనాల్లో గమనిస్తారు.

విస్పందనాలు: సమాన కంపన పరిమితిలో పౌనఃపున్యంలో స్వల్ప తేడాతో ఉండే రెండు ధ్వనులు ఒక దిశలో, ఒక ప్రాంతం ద్వారా ప్రయాణిస్తే, వ్యతికరణం వల్ల వాటి ఫలిత ధ్వని తీవ్రతలో వరుస వృద్ధి, క్షయాలు ఏర్పడతాయి. ఈ గరిష్ఠ, కనిష్ఠ తీవ్రతలను కలిపి ఒక విస్పందనం అంటారు. ఒక సెకను కాలంలో వెలువడే విస్పందనాల సంఖ్య రెండు ధ్వని తరంగాల పౌనఃపున్యాల వ్యత్యాసానికి సమానం. ఒక సెకను కాలంలో మనిషి చెవి వినగలిగే గరిష్ఠ విస్పందనాల సంఖ్య 10.

*  సంగీత కచేరికి ముందు వాయిద్యాలను శ్రుతి చేయడానికి, గనుల్లో వెలువడే విషవాయువులను గుర్తించడానికి, శ్రుతి దండo పౌనఃపున్యం తెలుసుకోవడానికి, సినిమాల్లో ప్రత్యేక ధ్వనులను సృష్టించడానికి విస్పందనాలు ఉపయోగపడతాయి.

వివర్తనం: సన్నని చీలికలు, మొనదేలిన అంచుల వద్ద తరంగాలు వంగి ప్రయాణించే ధర్మాన్ని వివర్తనం అంటారు. ధ్వని తరంగాల తరంగ ధైర్ఘ్యం సగటు విలువ 1 మీ. కాబట్టి కిటికీలు, తలుపుల వద్ద ధ్వని వంగి ప్రయాణించి, మరో గదిలోకి వివర్తనం చెందుతుంది. కాంతి మాదిరి ధ్వని ధ్రువణం చెందదు.

అనునాదం: బలాకృత కంపనాలు చేసే వస్తువు సహజ పౌనఃపున్యం, దానిపై ఆవర్తన బలాన్ని కలగజేసే వ్యవస్థ పౌనఃపున్యానికి సమానమైతే, ఆ వస్తువు గరిష్ఠ కంపన పరిమితితో కంపనాలు చేసే ధర్మాన్ని అనునాదం అంటారు. రెండు వస్తువుల సహజ పౌనఃపున్యాలు సమానమైనప్పుడు దానిలో ఒకదాన్ని కంపింపజేస్తే, రెండోది కూడా కంపనాలు చేస్తుంది. ఈ దృగ్విషయాన్నే అనునాదం అంటారు.

అనువర్తనాలు: * వంతెనపై సైనికులు కవాతు చేస్తున్నప్పుడు, వారు కాళ్లతో కలగజేసే ఆవర్తన బల పౌనఃపున్యం, వంతెన సహజ పౌనఃపున్యానికి సమానం అయినప్పుడు అది గరిష్ఠంగా కంపించి పడిపోతుంది. 

* రేడియోలో పౌనఃపున్యాన్ని మారుస్తూ స్టేషన్‌ ప్రసార పౌనఃపున్యానికి సమానం చేసినప్పుడు మాత్రమే అనునాదం వల్ల ఆ స్టేషన్‌ కార్యక్రమాలు రేడియోలో వినిపిస్తాయి. 

*  బస్సును డ్రైవర్‌ ఒక ప్రత్యేక వేగంతో నడుపుతున్నప్పుడు, దాని ఇంజిన్‌ పౌనఃపున్యం ఇతర భాగాల పౌనఃపున్యానికి సమానమైతే, పక్క భాగాలు గరిష్ఠంగా కంపిస్తాయి. 

* ఊయల ఊపే వ్యక్తి, సహజ పౌనఃపున్యానికి ఊయల పౌనఃపున్యం సమానమైనప్పుడు అనునాదం వల్ల ఆ ఊయల గరిష్ఠంగా కంపిస్తుంది.

డాప్లర్‌ ప్రభావం

డాప్లర్‌ ప్రభావాన్ని 1842లో జాన్‌ క్రిస్టియన్‌ డాప్లర్‌ ప్రతిపాదించాడు. పరిశీలకుడు, ధ్వని జనకాల మధ్య సాపేక్ష చలనం ఉన్నప్పుడు పరిశీలకుడు వినే పౌనఃపున్యంలో దృశ్య మార్పు కలగడాన్ని డాప్లర్‌ ప్రభావం అంటారు. ఇది ధ్వనితో పాటు కాంతి తరంగాలకు కూడా వర్తిస్తుంది. ధ్వని జనకం పరిశీలకుడిని సమీపిస్తున్నప్పుడు దృశ్య పౌనఃపున్యం పెరుగుతుంది. అదే పరిశీలకుడి నుంచి దూరంగా వెళితే దృశ్య పౌనఃపున్యం క్రమంగా తగ్గుతుంది.

అనువర్తనాలు: * రాడార్‌ అనే పరికరం డాప్లర్‌ ప్రభావం ఆధారంగా పనిచేస్తుంది.

* రాడార్‌ను కనుక్కున్న శాస్త్రవేత్త - వాట్సన్‌ వాట్‌

* ట్రాఫిక్‌ పోలీసులు రాడార్‌ గన్‌ను ఉపయోగించి వాహనాల వేగాన్ని గుర్తిస్తారు.

* వాతావరణ శాఖ మేఘాల కదలికలను, తుపానుల రాకను అంచనా వేయడానికి డాప్లర్‌ ప్రభావాన్ని ఉపయోగిస్తుంది.

* ఎకోకార్డియోగ్రాఫ్‌ (ఈసీజీ) డాప్లర్‌ ఫలితం ఆధారంగా పనిచేస్తుంది.

*  కృత్రిమ ఉపగ్రహాల గమనాన్ని తెలుసుకోవడానికి కూడా డాప్లర్‌ ఫలితాన్ని ఉపయోగిస్తారు.

*  శనిగ్రహం చుట్టూ ఉన్న రంగుల వలయాలను గుర్తించడానికి దీన్ని వినియోగిస్తారు.

*  మెడికల్‌ ఇమేజింగ్, రక్తనాళాల్లో రక్త సరఫరాను కొలవడానికి డాప్లర్‌ ఫలితం అవసరమవుతుంది.

*  నక్షత్రాల నుంచి వచ్చే కాంతిలో రెడ్‌ షిప్ట్, బ్లూ షిప్ట్‌ అనే దృగ్విషయాలను ఈ ఫలితం ద్వారా గుర్తిస్తారు.

మాదిరి ప్రశ్నలు

1. తొలి విద్యుదయస్కాంత తరంగాన్ని ప్రయోగశాలలో జనింపజేసిన శాస్త్రవేత్త ఎవరు?

1) మాక్స్‌వెల్‌    2) డీ బ్రోగ్లీ    3) హెర్ట్జ్‌   4) హైగెన్స్‌

2. నీటిలో ఏర్పడే తరంగాలను గుర్తించండి.

1) అనుదైర్ఘ్య తరంగాలు    2) తిర్యక్‌ తరంగాలు  

3) స్థిర తరంగాలు    4) విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు

3. భూకంపాలు సంభవించే సమయంలో ఏర్పడే ప్రాథమిక తరంగాలు ఏవి?

1) తిర్యక్‌ తరంగాలు    2) స్థిర తరంగాలు 

3) విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు    4) అనుదైర్ఘ్య తరంగాలు

4. ధ్వని ఏ ధర్మం ఆధారంగా స్టెతస్కోపు పనిచేస్తుంది?

1) పరావర్తనం    2) వక్రీభవనం    3) వివర్తనం    4) అనునాదం

5. ఉదయం, సాయంకాల వేళల్లో భూ ఉపరితలంపై ధ్వని ఎక్కువ దూరం ప్రయాణించడానికి కారణమైన ధ్వని ధర్మం?

1) పరావర్తనం    2) వక్రీభవనం    3) వివర్తనం    4) అనునాదం

6. ఒక సెకనులో మానవుడు వినగలిగే గరిష్ఠ విస్పందనాల సంఖ్య?

1) 5    2) 15    3) 10    4) 20

7. పరిశీలకుడు రెండు ధ్వనులను విడివిడిగా స్పష్టంగా వినాలంటే వాటి మధ్య ఉండాల్సిన కనీస కాలవ్యవధి?

8. కిందివాటిలో ధ్వనికి సంబంధించి సరికాని అంశం?

1) పరావర్తనం    2) వక్రీభవనం    3) వివర్తనం    4) ధృవణం

9. సైనికులు వంతెనపై కవాతు చేస్తున్నప్పుడు వారి సహజ పౌనఃపున్యం వంతెన పౌనఃపున్యానికి  సమానమైనప్పుడు అది పడిపోవడానికి కారణమైన‌ ధ్వని ధర్మం?

1) వివర్తనం    2) వ్యతికరణం    3) పరావర్తనం   4) అనునాదం

10. కృత్రిమ ఉపగ్రహాల గమనాన్ని తెలుసుకోవడానికి ఉపయోగపడే అంశం?

1) అనునాదం    2) విస్పందనాలు     3) డాప్లర్‌ ప్రభావం    4) వ్యతికరణం 

 

జవాబులు: 1-3; 2-2; 3-4; 4-1; 5-2; 6-3; 7-2; 8-4; 9-4; 10-3

 

రచయిత: చంటి రాజుపాలెం