คลื่นกล

                คลื่น  ( Wave )   เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการรบกวนแหล่งกำเนิด หรือตัวกลาง การสั่นสะเทือนทำให้มีการแผ่หรือถ่ายโอนพลังงานจากการสั่นสะเทือนไปยังจุดอื่นๆ โดยที่ตัวกลางนั้นไม่มีการเคลื่อนที่ไปกับคลื่น เช่น การวางเศษไม้  หรือวัสดุที่ลอยน้ำได้ลงบนผิวน้ำ แล้วโยนก้อนหิน หรือตีน้ำทำให้เกิดคลื่น จะสังเกตเห็นเศษไม้ หรือวัสดุจะกระเพื่อมขึ้นลงอยู่กับที่ แต่จะไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น แสดงให้เห็นว่า การเกิดคลื่นเป็นการถ่ายโอนพลังงานโดยผ่านโมเลกุลของน้ำ ซึ่งโมเลกุลของน้ำ ( ตัวกลาง ) จะไม่เคลื่อนที่ไปกับคลื่น

                การจำแนกคลื่นตามความจำเป็นของการใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่สามารถแบ่งออกได้ 2 ชนิด คือ คลื่นกล จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่  และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่  ในที่นี้จะกล่าวเฉพาะคลื่นกล สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะได้ศึกษาในระดับสูงขึ้น

                คลื่นกล  เป็นคลื่นที่เกิดจากสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิด และมีการถ่ายโอนพลังงานผ่านตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นบนเส้นเชือก  คลื่นผิวน้ำ  คลื่นเสียง ฯ

                การจำแนกคลื่นโดยพิจารณาทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่กับทิศการสั่นของอนุกภาคของตัวกลาง แบ่งคลื่นออกได้เป็น 2 พวกใหญ่ๆ คือ

ตัวกลางสั่น

ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

                1. คลื่นตามขวาง  เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นบนเส้นเชือก  คลื่นผิวน้ำ  ฯ

ตัวกลางสั่น

ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

 

 

ตัวกลางสั่น

ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

                2. คลื่นตามยาว  เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวเดียวกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่นคลื่นที่เกิดการอัดปลายลวดสปริง  คลื่นเสียง ฯ

 

 

 

ส่วนประกอบของคลื่น

เมื่อพิจารณาลักษณะของคลื่นผิวน้ำหรือคลื่นบนเส้นเชือกอย่างต่อเนื่องที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่นอย่างสม่ำเสมอ  ณ  เวลาใดเวลาหนึ่งตำแหน่งต่างๆของตัวกลาง(ผิวน้ำหรือเส้นเชือก) จะขยับขึ้นลงจากปกติ  หรือเรียกว่าแนวสมดุลเดิมถึงตำแหน่งนั้น  เรียกว่า  การกระจัด(Displacement) (การกระจัด ณ ตำแหน่งใดๆ  บนคลื่นหาได้จากความยาวของเส้นตั้งฉากจากระดับปกติถึงตำแหน่งนั้นๆ )

-          การกระจัดมีค่าเป็น(+)สำหรับตำแหน่งที่สูงกว่าระดับปกติ

-          การกระจัดมีค่าเป็น(-)สำหรับตำแหน่งที่ต่ำกว่าระดับปกติ

ส่วนประกอบที่สำคัญของคลื่นต่อเนื่องดังรูป

การกระจัด

ตำแหน่ง

สันคลื่น

สันคลื่น

ท้องคลื่น

ท้องคลื่น

A

O

รูป แสดงส่วนประกอบที่สำคัญของคลื่น

สันคลื่น

l

l

 

 

 

 

 

 

 

1.   สันคลื่น  คือ  ตำแหน่งที่การกระจัดบวกมากที่สุดเหนือระดับปกติหรือตำแหน่งสูงสุดของคลื่น

2.   ท้องคลื่น  คือ  ตำแหน่งที่มีการกระจัดลบมากที่สุดต่ำกว่าระดับปกติหรือตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น

3.   แอมพิจูด (A)  คือ  การกระจัดสูงสุดของคลื่นจากระดับปกติหรือระดับสูงสุดของคลื่น  หรือความสูงของท้องคลื่นจากระดับปกติ

ค่าของแอมพิจูดจะบอกค่าของพลังงาน  คือ  แอมพิจูดมากพลังงานของคลื่นมาก  แอมพิจูดน้อยพลังงานของคลื่นจะน้อย

4.   ความยาวคลื่น (l)  คือความยาวของคลื่น  1  ลูกคลื่น  หรือเป็นระยะห่างจากสันคลื่นถึงสันคลื่นติดกัน

5.   คาบ (T)  คือ เวลาที่จุดใดๆบนตัวกลางสันครบ  1  รอบ  หรือเป็นเวลาที่เกิดคลื่น  1  ลูก  หรือ เวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ไปไกล  1  ลูกคลื่น  คาบมีหน่วยเป็น วินาที(s)

6.   ความถี่  (f)  คือ  จำนวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้นใน  1  หน่วยเวลา  หรือจำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดคงที่ในเวลา  1  หน่วย  หรือจำนวนรอบที่อนุภาคตัวกลางเคลื่อนที่ได้ใน  1  หน่วยเวลา  และความถี่ของคลื่นจะมีค่าเท่ากับความถี่ของการสั่นของแหล่งกำเนิด  หมายความว่าแหล่งกำเนิด  1  รอบจะเกิดคลื่น  1  ลูกคลื่น  ความถี่มีความเป็น  ลูกคลื่นต่อวินาที,  รอบต่อวินาที หรือ   เฮิร์ตซ์  Hertz (Hz)

ความสำพันธ์ระหว่างคาบ(T)  และความถี่(f)

จากนิยามคาบและความถี่

ในเวลา  T  วินาที  คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งได้  1  ลูกคลื่น

ในเวลา  1  วินาที  คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งได้  1/T  ลูกคลื่น

เนื่องจากจำนวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้นใน  1  วินาที  คือความถี่(f)

ดังนั้น

                                f               =                       หรือ                        T             =            

อัตราเร็วของคลื่น

                เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นถ่ายทอดพลังงานให้แก่ตัวกลางทำให้เกิดคลื่นขึ้น คลื่นจะเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิด โดยมีทิศทางการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่เมื่อไม่มีการเปลี่ยนตัวกลางดังรูป

S

S

S

A

B

t1

t2

 

 

 

 

 

รูป  แสดงการเคลื่อนที่ของคลื่น

 

 

                จากรูป ณ เวลา t₁  คลื่นต่อเนื่องอยู่ ณ ตำแหน่ง A เมื่อเวลาผ่านไป t₂  คลื่นเคลื่อนที่ไปทางขวามืออยู่ ณ ตำแหน่ง  B   เป็นระยะทาง  S  

                ดังนั้นเราสามารถหาอัตราเร็ว ( v ) ของคลื่นได้จาก

อัตราเร็ว ( v )        =            

หรือ        v              =                                       เมื่อ  t  =  t₂ – t₁ 

                เนื่องจากอัตราเร็วของคลื่นในตัวกลางเดียวกันมีค่าคงที่ถ้าพิจารณาคลื่นเคลื่อนที่ได้ 1 ลูกคลื่นพอดี ได้ว่า S =  l  ,  t  =  T

                                จาก         v              =                      

                                ดังนั้น    v              =                      

                                หรือ        v              =             fl