مقدمه:
آیا تا به حال حرکت به سمت بالا و پایین مرغ‌­های دریایی روی سطح اقیانوس را دیده‌­اید؟ همچنین ممکن است موج سوارانی را دیده باشید که روی یک موج به ساحل می­رسند. ممکن است در یک دریاچه روی آب شناور شده باشید و با عبور یک موج به بالا و پایین حرکت کنید. حتی ممکن است قطعاتی بازمانده از قایق­‌ها مانند تخته­‌های چوبی دیده باشید که توسط امواج به این طرف و آن طرف حرکت می­‌کنند. امواج آب بسیار شگفت­‌انگیز هستند. این امواج در اندازه­‌های مختلف، از یک موج بسیار کوچک تا امواج هیولایی با ارتفاع ده متر وجود دارند. شما امواج آب را دیده­‌اید اما آیا می­‌دانید چه چیزی آنها را به وجود می­‌آورد و امواج چگونه در دریا و اقیانوس حرکت می‌­کنند؟ در این فعالیت علمی شما امواج را در منزل خود شبیه‌­سازی خواهید کرد. همچنین بررسی خواهید کرد که چرا برخی از امواج آهسته و برخی دیگر سریع هستند.

پیش زمینه:

علت ایجاد بسیاری از امواج دریاها و اقیانوس‌­ها باد است. اما چگونه این اتفاق می­‌افتد؟ باد سبب می‌­شود لایه‌­های آب­ بالای سطحی آرام از آب روی هم جمع شوند. آب زیر تاج (یا قله‌­ی) موج تحت وزن آب اضافی خود قرار می­‌گیرد. سپس این وزن اضافه آب را از زیر قله­‌ی موج به بیرون می‌­اندازد. آب در حال حرکت جهش می­‌کند و قله­‌ای در یک محل جدید ایجاد می‌­کند. بدین ترتیب موج به حرکت پیوسته‌­ی خود ادامه می‌­دهداقیانوس­‌ها و دریاها لایه‌­هایی از آب زیر لایه­‌ای از هوا یعنی جو هستند. از آنجا که چگالی هوا بسیار کمتر از آب است (در حجم برابر، هوا حدود هزار برابر وزن کمتری دارد) به نظر می‌­رسد هوا باید تأثیر کمی بر امواج داشته باشد. به همین دلیل برای درک نحوه­‌ی کار امواج، در این فعالیت شما یک لایه روغن روی آب اضافه خواهید کرد. در مورد ارتباط این موضوع با هوا و تأثیر آن بر یک موج در سطح آب کنجکاو هستید؟ آماده‌­ی انجام آزمایش باشید تا پاسخ سوالات‌تان را بیابید!

مواد وسایل مورد نیاز:

دو بطری شفاف و تمیز مشابه که در داشته باشند. (بطری نوشابه­‌های دو لیتری برای این کار مناسب هستند.)  روغن گیاهی به اندازه­ای که بتوان دو سوم یک بطری را با آن پر کرد.
 آب
 رنگ خوراکی (رنگ آبی ترجیح داده می­‌شود.)

 حوله
 خودکار یا مداد و کاغذ
یک سطح کار و موادی برای پوشش سطح (مانند یک حوله­‌ی قدیمی) که بتوان آب و روغن ریخته شده روی آنها را به آسانی تمیز کرد.
 قیف برای پر کردن آسان بطری (اختیاری)
 دو تکه‌­ی کوچک موم (می­‌توانید این دو تکه را از یک شمع جدا کنید. برای بریدن آن حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.) (اختیاری)

:آماده‌­سازی

یک حوله (یا هر لایه‌­ی محافظ مناسب دیگر) روی سطح کار خود قرار دهید.در هر دو بطری به اندازه­ی یک سوم حجم آنها آب بریزید. می­‌توانید این کار را با کمک قیف انجام دهید. سپس چند قطره رنگ خوراکی داخل بطری‌­ها بریزید.

 در یکی از بطری‌­ها را ببندید و آن را کنار بگذارید.

 به آرامی بطری دوم را با روغن گیاهی پُر کنید. استفاده از قیف می­تواند از ریختن روغن به اطراف جلوگیری کند.

 در این بطری را نیز ببندید و آن را کنار بگذارید.

 اطمینان حاصل کنید که در هر دو بطری خوب بسته شده است.

 بطری­‌های آماده شده را با دقت به محلی ببرید که در آن قصد انجام آزمایش را دارید.

 بطری‌­ها را تا زمانی که آماده­ی انجام آزمایش شدید به بغل بخوابانید..

 چه چیزی در بطری حاوی آب و روغن مشاهده می­‌کنید؟ آیا آب روی روغن شناور است یا برعکس یا اینکه هر دو مایع با هم مخلوط شده‌­اند؟ به نظر شما چگالی آب بیشتر است یا چگالی روغن؟

 فکر می­‌کنید روی آب داخل بطری آب رنگی چیزی وجود دارد یا فقط فضای خالی است؟

روش کار:
کار را با بطری­ای که تنها حاوی آب است شروع کنید. این بطری را به صورت افقی نگه دارید و یک سر آن را بلند کنید تا موج در داخل بطری به وجود بیاید. با شروع موج، سر بطری را پایین بیاورید و بطری را به حالت افقی برگردانید. حال موج را به دقت مشاهده کنید.

 همین کار را با بطری حاوی آب و روغن تکرار کنید. آیا تفاوتی در موج تشکیل شده مشاهده می‌­کنید؟ آیا امواج داخل یک بطری سریع­تر از امواج داخل بطری دیگر حرکت می‌کنند؟ آیا ارتفاع موج­ها در دو بطری با هم متفاوت است؟

 برای مقایسه­‌ی آسان‌­تر، تعداد دفعاتی که موج به سر یا انتهای بطری برمی­‌گردد را بشمارید. این کار را از بطری حاوی آب شروع کنید. بطری را به صورت افقی نگه دارید و یک سر آن را بلند کنید تا موج تشکیل شود. مجدداً بطری را به حالت افقی درآورید و تعداد دفعاتی که موج به انتهای دیگر بطری می­رسد را بشمارید.

 شمارش را تا زمانی ادامه دهید که موج به طور کامل از بین برود.

 همین کار را در مورد بطری دوم انجام دهید. آیا تفاوتی بین این دو مشاهده می­‌کنید؟ آیا سرعت شمارش برای دو بطری متفاوت است؟ این مسئله چه چیزی را نشان می­‌دهد و علت آن چیست؟ آزمایش­‌های تکمیلی زیر اطلاعات خوبی به شما خواهند داد.

آزمایش­‌های تکمیلی:
در بطری­ها را باز کنید. یک تکه­‌ی کوچک موم داخل هر بطری بیندازید و مجدداً در آنها را ببندید. از آنجا که چگالی موم بیشتر از روغن و کمتر از آب است، موم روی آب اما در زیر لایه­‌ی روغن شناور می­‌ماند. ممکن است لازم باشد مدتی صبر کنید تا موم از لایه‌­ی روغن پایین برود و به محل مورد نظر خود در زیر روغن و روی آب برسد. به این تکه‌­ی موم به عنوان مرغ دریایی، یک قایق یا یک موج سوار شناور روی آب نگاه کنید. حال مانند قبل یک موج در بطری ایجاد کنید و این بار به حرکت موم با دقت نگاه کنید. آیا موم به عقب و جلو حرکت می­کند یا در جای خود به بالا و پایین می­‌رود؟ آیا می‌­توانید علت مشاهدات خود را توضیح دهید؟

 اگر کرنومتر دارید، می­توانید دوره­ی موج را اندازه بگیرید. دوره مدت زمانی است که در آن یک موج از قله به کف و مجدداً به قله می­‌رسد. نگاهی به مشاهدات قبلی خود بیندازید. آیا فکر می­کنید دوره­‌ی امواجی که روی آن‌ها هوا وجود دارد با دوره­ی امواجی که روی آنها روغن است تفاوت دارد؟ با کرنومتر زمان حرکت تکه‌­ی موم از قله به کف و مجدداً به قله را اندازه بگیرید. این زمان اندازه‌گیری شده دوره‌­ی موج است. آیا دوره­‌ی امواج در حضور روغن و هوا یکسان است؟

 فرکانس یک موج تعداد تکرار آن در ثانیه است. نگاهی به مشاهدات قبلی خود بیندازید. به نظرتان فرکانس امواج در حضور هوا و روغن یکسان است؟ آیا می‌­توانید راهی برای اندازه‌­گیری یا محاسبه‌­ی فرکانس امواجی که در بطری‌­ها تشکیل می­‌شوند پیدا کنید؟

مشاهده و نتیجه­‌گیری:
آیا مشاهده کردید که آب همراه با روغن روی آن امواج بسیار آهسته­‌ای تولید می­‌کند؟

موج به این دلیل حرکت می­‌کند که وزن اضافه‌­ی مایع در قله‌­ی موج آب زیر خود را به مکان‌‌هایی که آب کم­ عمق‌­تر است هل می­دهد. این اتفاق در هر دو بطری رخ می‌­دهد. در مورد بطری حاوی آب، هم آب و هم هوای موجود در بطری بر لایه­‌های عمیق­تر آب فشار وارد می‌­کنند. چگالی هوا حدود هزار بار کمتر از آب است

. به همین دلیل با عبور موج، لایه‌­های عمیق­تر عمدتاً تحت وزن آب انباشته شده در موج قرار می­‌گیرند. تفاوت در وزن بین قله و کف موج (پایین‌­ترین قسمت) نیروی محرکه­‌ی موج است. در این سناریو، تفاوت بزرگ در وزن منجر به موجی با حرکت سریع می‌­شود. 

به طور مشابه، در مورد بطری حاوی آب و روغن این دو جزء بر لایه‌­های عمیق‌­تر آب فشار وارد می­‌کنند. درست مانند هوا، چگالی روغن نیز از آب کمتر است. (چگالی آن حدود دو سوم چگالی آب است). در نتیجه در مقدار برابر از روغن و آب، وزن روغن کمتر از آب خواهد بود. به همین دلیل با جمع شدن آب در یک موج مقدار بیشتری آب و مقدار کمتری روغن بر نقاط زیرین قله­‌ی موج فشار وارد می­‌کنند. با این وجود در کم­ عمق‌­ترین نقطه از موج روغن بیشتر و آب کمتری اعمال وزن می­‌کنند.

بنابراین تفاوت وزن مایعات در نقطه­‌ای زیر قله‌­ی موج و نقطه‌­ای زیر قعر موج (پایین­‌ترین قسمت موج) در این حالت بسیار کوچک­تر است و در نتیجه نیروی محرکه‌­ی موج کمتر است، با وجود اینکه همچنان این نیرو سبب حرکت آب از زیر قله‌­ی موج می­‌شود. علاوه بر این آب و روغن سنگین‌­تر از هوا باید حرکت کنند. به همین خاطر جریان مایع بسیار آهسته­‌تر از زمانی است که هوای سبک روی آب جریان دارد. چیزی که شما مشاهده می­‌کنید موج آبی روی سطح است که بسیار آهسته حرکت می­‌کند. در آزمایش تکمیلی، شما احتمالاً مشاهده کرده‌­اید که موم عمدتاً در حین حرکت به جلو و عقب موج تنها در موقعیت خود بالا و پایین می­‌شود. دلیل آن است که در موج لایه­‌های آب زیرین به طور افقی حرکت می­‌کنند و لایه‌­های سطحی آب حرکت افقی ندارند و فقط بالا و پایین می‌شوند

تمیز کردن:
می‌­توانید محتویات داخل بطری حاوی آب و رنگ خوراکی را در سینک بریزید. اما نباید روغن را در سینک بریزید. حاوی آب و روغن را صاف روی یک سطح قرار دهید و به مایعات داخل آن فرصت دهید از هم جدا شوند. یک ظرف یا بطری برای جمع کردن روغن بردارید و به آرامی لایه­‌ی روغن روی آب را در این ظرف بریزید.

اگر همراه با روغن کمی آب نیز در این ظرف ریخته شود اشکالی ندارد. سعی شما باید بر این باشد که بیشترین مقدار روغن را از بطری جدا کنید. (برای راحتی کار می‌­توانید از قیف استفاده کنید.) آب رنگی باقی­مانده داخل بطری را در سینک بریزید. درِ ظرف حاوی روغن را نیز سفت ببندید و آن را در سطل زباله بیندازید.

امواج دریا-1

امواج دریا-2

سونامی

بادبان‌ها را بکشید!

امواج غول آسا

تمیز کردن روغن

شبیه سازی جریان‌های اقیانوسی

آب و روغن

یخ سنگین

موج ایستاده

موج ضربه‌ای

تقلید صدای زنبور!

چگونه تخم مرغ روی آب شناور می‌ماند؟

چگالی

مرغ نوروزی-ویکیپدیا

چگالی-ویکیپدیا

Seawater Science

Ocean Waves

Ocean Waves and Currents for Kids