অগ্রগামী তরঙ্গ (Progressive Waves)

ভূমিকা (Introduction)

অগ্রগামী তরঙ্গ হল এমন একটি তরঙ্গ যা একটি মাধ্যমের মধ্য দিয়ে সামঞ্জস্যপূর্ণভাবে অগ্রসর হয় এবং এর শক্তি স্থানান্তরিত করে। এই তরঙ্গগুলি একটি নির্দিষ্ট দিক বরাবর চলতে থাকে এবং মাধ্যমের কণাগুলি নির্দিষ্ট পথে কম্পিত হয়। (Progressive waves are waves that move continuously through a medium, transferring energy in a consistent direction. These waves travel in a specific direction, causing the particles of the medium to oscillate along defined paths.)

সংজ্ঞা (Definition)

অগ্রগামী তরঙ্গ হল এমন একটি তরঙ্গ যা একটি মাধ্যমের মধ্য দিয়ে নির্দিষ্ট দিক বরাবর চলতে থাকে এবং কণাগুলিকে কম্পিত করে। (A progressive wave is a wave that travels through a medium in a particular direction, causing particles to oscillate.)

প্রকারভেদ (Types of Progressive Waves)

1. অনুপ্রস্থ তরঙ্গ (Transverse Waves):

   • বর্ণনা (Description): অনুপ্রস্থ তরঙ্গের ক্ষেত্রে, কণাগুলি তরঙ্গের গতির দিকের লম্বভাবে কম্পিত হয়। (In transverse waves, particles oscillate perpendicular to the direction of wave propagation.)
   • উদাহরণ (Example): আলো তরঙ্গ, পানি তরঙ্গ। (Light waves, water waves.)

2. অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গ (Longitudinal Waves):

   • বর্ণনা (Description): অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গের ক্ষেত্রে, কণাগুলি তরঙ্গের গতির দিকের সমান্তরালভাবে কম্পিত হয়। (In longitudinal waves, particles oscillate parallel to the direction of wave propagation.)
   • উদাহরণ (Example): শব্দ তরঙ্গ, কম্প্রেশন তরঙ্গ। (Sound waves, compression waves.)

অগ্রগামী তরঙ্গের বৈশিষ্ট্য (Characteristics of Progressive Waves)

1. তরঙ্গের প্রচলন (Wave Propagation): অগ্রগামী তরঙ্গ নির্দিষ্ট দিক বরাবর চলতে থাকে। (Progressive waves travel in a specific direction.)

2. তরঙ্গ বেগ (Wave Speed): তরঙ্গ বেগ নির্ভর করে মাধ্যমের উপর এবং এটি তরঙ্গ দৈর্ঘ্য ও কম্পাঙ্কের গুণফল দ্বারা নির্ধারিত হয়: $v=\lambda \times f$। (Wave speed depends on the medium and is determined by the product of wavelength and frequency: $v=\lambda \times f$.)

3. শক্তি স্থানান্তর (Energy Transfer): অগ্রগামী তরঙ্গের মাধ্যমে শক্তি এক স্থান থেকে অন্য স্থানে স্থানান্তরিত হয়। (Energy is transferred from one place to another through progressive waves.)

4. পর্যায়িকতা (Periodic Nature): অগ্রগামী তরঙ্গগুলি সময় এবং স্থানের উপর পর্যায়ক্রমিক। (Progressive waves are periodic in both time and space.)

গণিতিক বিবরণ (Mathematical Description)

অগ্রগামী তরঙ্গকে সাধারণত নিম্নলিখিত গণিতিক সমীকরণ দ্বারা বর্ণনা করা যায়: (Progressive waves can generally be described by the following mathematical equation:)

$y(x,t)=A\sin (kx-\omega t+\varphi )$

এখানে, (Here,)

• $y(x,t)$ হল স্থান $x$ এবং সময় $t$ এ তরঙ্গের স্থানচ্যুতি। (y(x, t) is the displacement of the wave at position $x$ and time $t$.)
• $A$ হল তরঙ্গের প্রকরণ বা আম্প্লিটিউড। (A is the amplitude of the wave.)
• $k$ হল তরঙ্গ সংখ্যা, যা 𝑘=2𝜋𝜆k=λ2π​। (k is the wave number, given by 𝑘=2𝜋𝜆k=λ2π​.)
• $\omega$ হল কৌণিক বেগ, যা $\omega =2\pi f$। ($\omega$ is the angular frequency, given by $\omega =2\pi f$.)
• $\varphi$ হল পর্যায় স্থানান্তর। ($\varphi$ is the phase shift.)

উদাহরণ (Example)

ধরা যাক, একটি অনুপ্রস্থ তরঙ্গের তরঙ্গ দৈর্ঘ্য 1 মিটার, কম্পাঙ্ক 2 Hz এবং প্রকরণ 0.5 মিটার। তরঙ্গটির স্থানচ্যুতি সমীকরণটি কী হবে? (Let’s consider a transverse wave with a wavelength of 1 meter, a frequency of 2 Hz, and an amplitude of 0.5 meters. What will be the displacement equation of the wave?)

প্রথমে, তরঙ্গ সংখ্যা এবং কৌণিক বেগ নির্ধারণ করতে হবে: (First, we need to determine the wave number and angular frequency:)

𝑘=2𝜋𝜆=2𝜋1=2𝜋k=λ2π​=12π​=2π $\omega =2\pi f=2\pi \times 2=4\pi$

তাহলে, তরঙ্গের স্থানচ্যুতি সমীকরণটি হবে: (So, the displacement equation of the wave will be:)

$y(x,t)=0.5\sin (2\pi x-4\pi t)$

অগ্রগামী তরঙ্গের ব্যবহার (Applications of Progressive Waves)

1. শব্দ এবং সঙ্গীত (Sound and Music): শব্দ তরঙ্গ হল অনুদৈর্ঘ্য অগ্রগামী তরঙ্গ যা আমাদের কথা বলা এবং সঙ্গীত শোনার জন্য প্রয়োজনীয়। (Sound waves are longitudinal progressive waves essential for speech and music.)

2. আলো এবং তড়িৎ চৌম্বক তরঙ্গ (Light and Electromagnetic Waves): আলো তরঙ্গ হল অনুপ্রস্থ অগ্রগামী তরঙ্গ যা আমাদের দৃষ্টিশক্তির জন্য অপরিহার্য। (Light waves are transverse progressive waves essential for vision.)

3. পানি তরঙ্গ (Water Waves): পানি তরঙ্গ হল তরঙ্গের এক প্রকার যা তরঙ্গশক্তি সমুদ্র এবং নদীতে প্রয়োগ করা হয়। (Water waves are a type of wave used to harness wave energy in oceans and rivers.)

যে তরঙ্গ উৎস হতে উৎপন্ন হয়ে সময়ের সাথে সাথে অগ্রসরমান বা চলমান হয় তাকে অগ্রগামী তরঙ্গ বলে। অগ্রগামী তরঙ্গ আড় বা অনুদৈর্ঘ্য এবং লম্বিক বা অনুপ্রস্থ উভয় ধরনের হতে পারে। আবার দুটি বিপরীতমুখী তরঙ্গের উপরিপাতের ফলে উৎপন্ন তরঙ্গ মাধ্যমের একটি সীমিত অংশে আবদ্ধ থাকে। এই তরঙ্গকে স্থির তরঙ্গ বলে।

অগ্রগামী তরঙ্গের সংজ্ঞাঃ কোন তরঙ্গ যদি কোন বিস্তৃত মাধ্যমের এক স্তর হতে অন্য স্তরে সঞ্চালিত হয়ে ক্রমাগত সম্মুখের দিকে অগ্রসর হতে থাকে, তবে তাকে অগ্রগামী বা চলমান তরঙ্গ বলে । 

উদাহরণ : (ক) পুকুরের পানিতে ঢিল ছুঁড়লে আড় তরঙ্গ সৃষ্টি হয়। এই ঢেউ বা তরঙ্গ পানির মধ্য দিয়ে কিনারার দিকে ক্রমাগত অগ্রসর হতে থাকে। সুতরাং পানির ঢেউ অগ্রগামী আড় বা অনুপ্রস্থ তরঙ্গ। 

(খ) বক্তা কথা বললে শব্দ উৎপন্ন হয়। শব্দ লম্বিক বা অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গ। এই শব্দ বক্তার মুখ হতে বাতাসের মধ্য দিয়ে ক্রমাগত সম্মুখের দিকে অগ্রসর হয়ে শ্রোতার কানে পৌঁছায়। অতএব শব্দ অগ্রগামী লম্বিক তরঙ্গ।

অগ্রগামী তরঙ্গের বৈশিষ্ট্য : অগ্রগামী তরঙ্গের নিম্নলিখিত বৈশিষ্ট্য পরিলক্ষিত হয়, যথা—

(ক)কোন মাধ্যমের একই প্রকার কম্পনে এই তরঙ্গের উৎপত্তি হয়।

(খ) এটি একটি সুষম মাধ্যমের মধ্য দিয়ে একটি নির্দিষ্ট দ্রুতি বা বেগে প্রবাহিত হয়।

(গ) অগ্রগামী তরঙ্গের বেগ মাধ্যমের ঘনত্ব ও স্থিতিস্থাপকতার উপর নির্ভর করে।

(ঘ) মাধ্যমের কণাগুলোর কম্পন তরঙ্গ প্রবাহের সাপেক্ষে আড় ও লম্বিক হতে পারে। 

(ঙ) মাধ্যমের কণাগুলো কখনও স্থির থাকে না।

(চ) তরঙ্গ মুখের অভিলম্ব বরাবর শক্তি বহন করে এ তরঙ্গ প্রবাহিত হয়। 

(ছ) তরঙ্গ প্রবাহে মাধ্যমের বিভিন্ন অংশের চাপ ও ঘনত্বের একই প্রকার পরিবর্তন ঘটে।

(জ) মাধ্যমের  প্রতিটি কণার কম্পাঙ্ক ও বিস্তার একই হয় এবং তারা একই ধরনের কম্পনে কম্পিত হয়।

(ঝ) তরঙ্গ প্রবাহের দরুন মাধ্যমের কণার দশা পরবর্তী কণাতে স্থানান্তরিত হয়। এরূপ দুটি কণার দশা বৈষম্য তাদের দূরত্বের সমানুপাতিক। 

(ঞ) মাধ্যমের যে কোন কণার বিভিন্ন ধর্ম—যেমন বেগ, ত্বরণ, শক্তি প্রভৃতি একইরূপ পরিবর্তনের মধ্য দিয়ে যায়।

১৭.৯ অগ্রগামী তরঙ্গের সমীকরণ

Equation of progressive wave

কোন মাধমের কণাগুলো সরল ছন্দিত স্পন্দনে স্পন্দিত বা আন্দোলিত হলে অগ্রগামী তরঙ্গের সৃষ্টি হয় এবং মাধ্যমের এক কণা হতে পরবর্তী কণায় আন্দোলন স্থানান্তরিত হয়। সুতরাং স্বাভাবিকভাবেই এক কণা ‘হতে পরবর্তী কণায় আন্দোলন পৌঁছতে একটি নির্দিষ্ট সময় লাগে। ফলে তরঙ্গের অভিমুখ বরাবর কণাগুলোর দশার পরিবর্তন ঘটে। এখন তরঙ্গ যদি বামদিক থেকে ডানদিকে অগ্রসর হতে থাকে তবে বামদিকের কণা আন্দোলিত হওয়ার একটি নির্দিষ্ট সময় পরে ডানদিকের কণা আন্দোলিত হবে; ফলে এদের মধ্যে দশার পার্থক্য সৃষ্টি হবে। এভাবে ডানদিকের পরের কণাগুলো পরে আন্দোলিত হবে। সুতরাং প্রথম কণার সঙ্গে দূরবর্তী কণার দশা পার্থক্য বৃদ্ধি পেতে থাকবে। তবে প্রতি দুটি পার্শ্ববর্তী কণার দশা পার্থক্য একই হবে। এখন এই অগ্রগামী তরঙ্গের গাণিতিক সমীকরণ বের করব।

    মনে করি একটি অগ্রগামী তরঙ্গ X-অক্ষের ধনাত্মক দিকে অগ্রসর হচ্ছে। চিত্র ১৭.৯]। ধরি  t সময়ে মাধ্যমের কোন একটি কণা O-এর সরণ = y (লম্বিক তরঙ্গের ক্ষেত্রে কণার সরণ X-অক্ষ বরাবর এবং আড় তরঙ্গের ক্ষেত্রে কণার সরণ Y-অক্ষ বরাবর ঘটে। যেহেতু মাধ্যমের কণাগুলো সরল ছন্দিত স্পন্দনে আন্দোলিত হচ্ছে, কাজেই O- কণাটির গতির সমীকরণ হবে,

$y=A\sin \omega t$

এখানে, A = কণার বিস্তার

$\omega$ কণার কৌণিক কম্পাঙ্ক = $2\pi n=\frac{2\pi }{T}$    (7)

এবং $\omega t$ = কণার দশা কোণ, সংক্ষেপে দশা।

এখন, যদিও মাধ্যমের প্রতিটি কণার গতি অভিন্ন, কিন্তু কণাগুলোর দশা এক নয়।

ধরা যাক, O বিন্দু কণার এ গতি ডানদিকের কণাগুলোতে একের পর এক সঞ্চালিত হচ্ছে। এর অর্থ হল O-এর পরবর্তী কণা কিছু সময় পরে O কণার দশাপ্রাপ্ত হবে। . তারপরের কণা আরও একটু পরে O-কণার দশাপ্রাপ্ত হবে। ফলে O বিন্দু থেকে ডানদিকের কণাগুলোর দূরত্ব বাড়ার সঙ্গে দশা পার্থক্যও বাড়বে। এক্ষেত্রে তরঙ্গের গতিপথের উপর অবস্থিত প্রতিটি কণার দশা এর পূর্ববর্তী রাম দিকের কণার দশার পশ্চাদগামী (Lagging) হবে।

           আমরা জানি একটি পূর্ণ কম্পনে তরঙ্গ যে পরিমাণ দূরত্ব অতিক্রম করে তাকে তরঙ্গ দৈর্ঘ্য ($\lambda$) বলে এবং এই সময় দশা পার্থক্য হয় 2π। এখন O বিন্দু হতে x দূরত্বে অবস্থিত P বিন্দুর কণা বিবেচনা করি। ধরি O বিন্দুর কণার সাথে এর দশা পার্থক্য $\delta$। সেহেতু $\lambda$ দূরত্ব অতিক্রমকালে দশা পরিবর্তন বা দশা পার্থক্য হয় 2π; সুতরাং x দূরত্বের জন্য দশা পার্থক্য হবে, $\delta =\frac{2\pi }{\lambda }x$

অর্থাৎ, দশা পার্থক্য = $\frac{2\pi }{\lambda }\times$ পথ পার্থক্য

P বিন্দুর কণার গতির সমীকরণ হবে

$=A\sin \frac{2\pi }{\lambda }(vt-x)$  (9)

যদি তরঙ্গ X-অক্ষের ঋণাত্মক দিকে অগ্রসর হয়, তবে গতির সমীকরণ হবে,