บทที่ 1 คลื่นกล

บทที่ 1 คลื่นกล

....

คลื่นกล อาศัยตัวกลาง
....
ชนิดของคลื่น

-คลื่นตามขวาง : ตัวกลางสั่นตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น เมื่อสะบัดปลายขดลวดสปริง, คลื่นในเส้นเชือก
-คลื่นตามยาว : ตัวกลางสั่นขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น เมื่อขยับปลายขดลวดสปริงเข้าและออก

คลื่นตามขวาง

คลื่นตามยาว

ปริมาณต่างๆ

-แอมพลิจูด (A) มีหน่วยเป็นเมตร (m) : ขนาดของการกระจัดที่มีค่ามากที่สุด ที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ขณะคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน ซึ่งตำแหน่งที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด เรียกว่า สันคลื่น และจุดที่เคลื่อนที่ลงต่ำสุด เรียกว่า ท้องคลื่น
-ความยาวคลื่น ( :แลมบ์ดา) มีหน่วยเป็นเมตร (m) : ระยะห่างระหว่างตำแหน่ง 2 ตำแหน่ง ที่มีขนาดและทิศทางของการกระจัดเท่ากัน เช่น ระยะห่างระหว่างท้องคลื่นกับท้องคลื่นที่อยู่ถัดไป หรือระยะห่างระหว่างสันคลื่นกับสันคลื่นที่อยู่ถัดไป
-คาบ (T) มีหน่วยเป็นวินาที (s) : ช่วงเวลาที่ตัวกลางเคลื่อนที่กลับไปกลับมาครบ 1 รอบ

:: สามารถเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างการกระจัดของตัวกลางกับเวลาได้ดังนี้ ::

อัตราเร็ว

อัตราเร็วในเรื่องคลื่น แบ่งได้ดังนี้
อัตราเร็วคลื่น หรือเรียกว่าอัตราเร็วเฟส   เป็นอัตราเร็วคลื่นที่เคลื่อนที่ไปแบบเชิงเส้น  ซึ่งอัตราเร็วคลื่นกลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน

การซ้อนทับกันของคลื่น

เมื่อคลื่น 2 ขบวนผ่านมาในบริเวณเดียวกัน มันจะรวมกัน โดยอาศัยหลักการซ้อนทับของคลื่น ( Superposition principle)  การซ้อนทับกันมี 2 แบบ คือแบบเสริม และแบบหักล้าง

-การซ้อนทับแบบเสริม เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกัน เข้ามาซ้อนทับกัน  เช่น สันคลื่น+ สันคลื่น หรือท้องคลื่น+ท้องคลื่น  ผลการซ้อนทับทำให้แอมพลิจูดเพิ่มขึ้นมากที่สุด เท่ากับผลบวกของแอมปลิจูดคลื่นทั้งสอง

การซ้อนทับกันของคลื่น แบบเสริม 

-การซ้อนทับแบบหักล้าง เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกันข้าม เข้ามาซ้อนทับกัน  เช่น สันคลื่น+ ท้องคลื่น  ผลการซ้อนทับทำให้แอมพลิจูดลดลง เท่ากับผลต่างของแอมปลิจูดคลื่นทั้งสอง
 

การซ้อนทับกันของคลื่น แบบหักล้าง  

ภาพเคลื่อนไหวการซ้อนทับกันของคลื่นแบบเสริม 

สมบัติของคลื่นไม่ว่าเป็นคลื่นชนิดใด จะสามารถแสดงคุณสมบัติที่สำคัญได้ 4 ประการ คือ1. การสะท้อน (Reflection) เป็นคุณสมบัติร่วมระหว่างอนุภาคและคลื่น

รูปภาพแสดงการสะท้อนของคลื่นแบบปลายอิสระ

รูปภาพแสดงการสะท้อนของคลื่นแบบปลายตรึง

- การสะท้อนคลื่นในเชือกปลายอิสระ คลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงกัน
- การสะท้อนคลื่นในเชือกปลายตรึง คลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงข้ามกัน

2. การหักเห (Refraction) เป็นคุณสมบัติร่วมระหว่างอนุภาคและคลื่น

 

รูปแสดงการหักเหของคลื่นผิวน้ำ

 คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง มีผลให้เกิดการเปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตรงบริเวณผิวรอยต่อของตัวกลางทั้งสอง โดยที่มีความถี่ของคลื่นคงเดิม แต่อัตราเร็ว และความยาวคลื่นเปลี่ยนไป ในที่นี้เราจะศึกษาคลื่นน้ำ ถ้าหากเราสร้างคลื่นต่อเนื่องที่เป็นคลื่นเส้นตรงเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งไปยังบริเวณสอง ซึ่งมีความลึกแตกต่างกัน

                ข้อสังเกต ในน้ำลึกความเร็ว (v) และความยาวคลื่นจะมากกว่าในน้ำตื้น

3.  การเลี้ยวเบน (Diffraction) เป็นคุณสมบัติเฉพาะของคลื่น

4.การแทรกสอด (Interference) เป็นคุณสมบัติเฉพาะของคลื่น

คือการรวมกันของคลื่นต่อเนื่องสองขบวน อันเนื่องมาจากคลื่นทั้งสองขบวนเคลื่อนที่ไปพบกัน

-ตำแหน่งที่เกิดการรวมแบบเสริมกัน จะมีค่าแอมพลิจูดมาก เรียกตำแหน่งนี้ว่า ปฏิบัพ(Antinode : A)
-ตำแหน่งที่เกิดการรวมแบบหักล้างกันจะมีค่าแอมพลิจูดน้อยเกือบเป็นศูนย์ เรียกตำแหน่งนี้ว่า บัพ(node : N)

 

รูปแสดงการแทรกสอดของคลื่นจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์