คลื่นกล

คลื่นกล

1.ชนิดของคลื่น

1.1 การจำแนกคลื่นตามลักษณะของตัวกลางแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ดังนี้ 

      1) คลื่นกล (mechanical wave) คือ คลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่สามารถถ่ายทอดและโมเมนตัมโดย อาศัยความยืดหยุ่นของตัวกลาง เช่น คลื่นเสียง คลื่นน้ำ คลื่นในเส้นเชือก 

      2) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) คือ คลื่นที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่เช่น คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรด แสง อัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา

1.2 การจำแนกคลื่นตามลักษณะการกำเนิดคลื่น แบ่งเป็น 2 ประเภท ดังนี้ 

      1) คลื่นดล (pulse wave) คือ คลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่นเพียงครั้งเดียว ทำให้เกิดคลื่นเพียงหนึ่งลูก อาจมี ลักษณะกระจายออกจากแหล่งกำเนิดที่ทำให้เกิดคลื่น เช่น การโยนหินลงไปในน้ำ

      2) คลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) คือ คลื่นที่เกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิดหลายครั้งติดต่อกัน ทำให้เกิด คลื่นหลายลูกติดต่อกัน โดยความถี่ของคลื่นที่เกิดขึ้นเท่ากับความถี่ของการรบกวนของแหล่งกำเนิดคลื่น เช่น คลื่นน้ำที่เกิดจากการใช้มอเตอร์

1.3 การจำแนกคลื่นตามลักษณะการเคลื่อนที่แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

        1) คลื่นตามยาว (longitudinal wave) คือ คลื่นที่อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับ ใน ทิศทางเดียวกันกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง คลื่นที่เกิดจากการอัดและขยายของสปริง

รูปที่ 1 แสดงทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคและการเคลื่อนที่ของคลื่น

รูปที่ 2 แสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคของตัวกลางของเคลื่อนตามขวาง

        2) คลื่นตามขวาง (transverse wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ ไป กลับในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

รูปที่ 3  แสดงทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคและการเคลื่อนที่ของคลื่น

รูปที่ 4 แสดงทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางของคลื่นตามยาว

2. ส่วนประกอบต่างๆ ของคลื่น

  

รูปที่ 5 แสดงส่วนประกอบของคลื่น

           1. สันคลื่น (Crest) คือ ตำแหน่งที่การกระจัดบวกมากที่สุดเหนือระดับปกติหรือตำแหน่งสูงสุดของคลื่น

           2. ท้องคลื่น (Trough) คือ ตำแหน่งที่มีการกระจัดลบมากที่สุดต่ำกว่าระดับปกติหรือตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น

           3. แอมพิจูด (Amplitude) คือ การกระจัดสูงสุดของคลื่นจากระดับปกติหรือระดับสูงสุดของคลื่น หรือความสูง   ของท้องคลื่นจากระดับปกติ

 ค่าของแอมพิจูดจะบอกค่าของพลังงาน คือ แอมพิจูดมากพลังงานของคลื่นมาก แอมพิจูดน้อยพลังงานของ                  คลื่นจะน้อย

           4. ความยาวคลื่น (wavelength) คือความยาวของคลื่น 1 ลูกคลื่น หรือเป็นระยะห่างจากสันคลื่นถึงสันคลื่นติด    กัน

           5. คาบเวลา (T-Periodic time) คือ เวลาที่จุดใดๆบนตัวกลางสันครบ 1 รอบ หรือเป็นเวลาที่เกิดคลื่น 1 ลูก หรือ  เวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ไปไกล 1 ลูกคลื่น คาบมีหน่วยเป็น วินาที (s)

           6. ความถี่ (f-Frequency) คือ จำนวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้นใน 1 หน่วยเวลา หรือจำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุด      คงที่ในเวลา 1หน่วย หรือจำนวนรอบที่อนุภาคตัวกลางเคลื่อนที่ได้ใน 1 หน่วยเวลา และความถี่ของคลื่นจะ                มีค่าเท่ากับความถี่ของการสั่นของแหล่งกำเนิด หมายความว่าแหล่งกำเนิด 1 รอบจะเกิดคลื่น 1 ลูกคลื่น         

 ความถี่มีความเป็น ลูกคลื่นต่อวินาที, รอบต่อวินาที หรือ เฮิร์ตซ์ Hertz (Hz)

            7. เฟส คือ การบอกตำแหน่งบนหน้าคลื่นในรูปของมุมหน่วย องศาหรือเรเดียนสูตรใช้คํานวณเกี่ยวกับเฟส       ของคลื่น ได้แก่

                                           

            8. อัตราเร็วคลื่น (wave speed , v ) คือระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา เราสามารถคํานวณหา                     อัตราเร็วคลื่นได้จาก 

                              

 3. สมบัติของคลื่น มีดังนี้

      1) การสะท้อนของคลื่น  เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ถึงปลายสุดของเชือก หรือสปริงที่ตรึงไว้ คลื่นจะสะท้อนกลับมา แอมพลิจูดของคลื่นที่สะเท้อนกลับ มีทิศตรงข้ามกับแอมพลิจูดของคลื่นเดิม (เฟสตรงข้ามกับคลื่นเดิม)

รูปที่ 6 การสะท้อนของคลื่นวงกลม

รูปที่ 7 การสะท้อนของหน้าคลื่นที่เป็นเส้นตรง

1.สมบัติการสะท้อนของคลื่น มีดังนี้

   1) อัตราเร็วของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับอัตราเร็วของคลื่นตกกระทบเสมอ

   2) ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ

   3) ความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนเท่ากับความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ

   4) ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ 

  2. กฎการสะท้อน

 1) มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน

 2) รังสีตกกระทบ เส้นปกติ และรังสีสะท้อนต้องอยู่บนระนาบเดียวกัน

รูปที่ 8 การสะท้อนของคลื่นต่อเนื่องเส้นตรงจากแผ่นกั้นผิวโค้งเว้า

รูปที่ 9 การสะท้อนของคลื่นต่อเนื่องวงกลมจากแผ่นกั้นผิวโค้งเว้า

ข้อสังเกต :

1.การสะท้อนของคลื่นที่ปลายสุดตรึงแน่น จะทำให้เกิดคลื่นสะท้อนที่มีเฟสตรงข้ามกับคลื่นตกกระทบ

2. การสะท้อนของคลื่นที่ปลายสุด เป็นปลายอิสระ จะทำให้เกิดคลื่นสะท้อนที่มีเฟสเหมือนกับคลื่นตกกระทบ

     2) การหักเหของคลื่น  คือ การเปลี่ยนแปลงอัตราเร็วและความยาวคลื่นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านจากตัวกลางหนึ่ง ไปยัง อีกตัวกลางหนึ่ง

         1. กฎการหักเห มีหลักว่า “อัตราส่วนของค่า sine ของมุมในตัวกลางที่ 1 ต่อค่า sine ของมุมในตัวกลางที่ 2 จะมี ค่าคงที่เสมอ เรียกอัตราส่วนนี้ว่า ดรรชนีหักเหของตัวกลางที่ 2 เทียบกับตัวกลางที่ 1’’

รูปที่ 10 หน้าคลื่นตกกระทบขนานกับรอยต่อ

    

รูปที่ 11 หน้าคลื่นตกกระทบไม่ตั้งฉากกับรอยต่อ

ข้อสังเกต:

1) คลื่นในน้ำาลึก อัตราเร็วคลื่น (v) จะมาก ความยาวคลื่น (𝜆) จะยาว มุม  θ  จะใหญ่

2) คลื่นในน้ำาตื้น อัตราเร็วคลื่น (v) จะน้อย ความยาวคลื่น (𝜆) จะสั้น มุม  θ จะเล็ก

     3. การแทรกสอดของคลื่น   คือ การรวมกันของคลื่นที่ส่งกันมาเป็นขบวนต่อเนื่อง

รูปที่ 12 การแทรกสอดของคลื่นน้ำต่อเนื่อง 2 คลื่น

- บัพและปฏิบัติบัพ

บัพ (node:N ) หมายถึง จุดที่คลื่นมาพบกันแล้วแทรกสอดกัน หักล้างหมดตลอดเวลา

ปฏิบัพ(antinode: A) หมายถึง จุดที่คลื่นมาพบกันแล้วแทรกสอดแบบเสริมกันตลอดเวลา

รูปที่ 13 การรวมกันของคลื่นแบบหักล้างและเเบบเสริม

           4) การเลี้ยวเบนของคลื่น คือ ปรากฏการณ์ที่คลื่นสามารถแผ่จากขอบของสิ่งกีดขวางไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวาง

                        

รูปที่ 14 การเลี้ยวเบนของคลื่นจากช่องเปิดที่แคบมากๆ

สรุป

คลื่นส่งพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง (แม้ว่าแต่ละส่วนของคลื่นเพียงแต่สั่นกลับไปกลับมา) ใน คลื่นตามขวาง (เช่น คลื่นน้ำและคลื่นแสง) การสั่นตั้งฉากกับทิศทางของคลื่น ในคลื่นตามยาว (เช่น คลื่นเสียง) การสั่นไปในทิศทางเดียวกับคลื่น

- ความยาวคลื่นยิ่งสั้น ความถี่จะยิ่งสูงมากสำหรับคลื่นทุกชนิด

        อัตราเร็ว = ความถี่ X ความยาวของคลื่น

- คลื่นสามารถสะท้อนและหักเหได้ คลื่นสามารถเลี้ยวเบนผ่านช่องเปิดแคบได้

ความรู้เพิ่มเติม