บทที่ 1 คลื่นกล

คลื่นกล

ความหมายและประเภทของคลื่น

คลื่น คือ การส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยไม่มีการนำพาสสารไปพร้อมกับพลังงาน  

***มีสมบัติการสะท้อน   สมบัติการหักเห  สมบัติการแทรกสอด  และสมบัติการเลี้ยวเบน เป็นพื้นฐาน

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง  แบ่งเป็น 2 แบบ คือ

1.คลื่นกล (Mechanical Wave)  คือ คลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่  เช่น  คลื่นเสียง  คลื่นน้ำ

คลื่นในเส้นเชือก  เป็นต้น

2.คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คือ คลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลาง ได้แก่

คลื่นวิทยุ  คลิ่นไมโครเวฟ คลื่นอินฟาเรด คลื่นแสง คลื่นอัลตราไวโอเลต รังสีแอ็กซ์ และรังสีแกมมาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน คือเมตรต่อวินาที

การจำแนกคลื่นตามทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นและการสั่นของอนุภาคตัวกลาง    แบ่งเป็น 2 แบบ คือ 

1.คลื่นตามขวาง (Transverse Wave) คือ คลื่นที่มีทิศการสั่นของอนุภาคตัวกลางตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น  เช่น  คลื่นผิวน้ำ  คลื่นในเส้นเชือก  เป็นต้น

*** หมายเหตุ  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นตามขวาง เพราะสนามไฟฟ้า-สนามแม่เหล็กสั่นตั้งฉาก
 กับทิศการเคลื่อนที่

2.คลื่นตามยาว (Longitude Wave) คือ คลื่นที่มีทิศการสั่นของอนุภาคตัวกลางขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น  เช่น  คลื่นเสียง  คลื่นที่เกิดจากการอัดลวดปริงแล้วปล่อย

ส่วนประกอบของคลื่น

1.สันคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น

2.ท้องคลื่น (Trought) เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น

3.การกระจัด (Displacement) คือ ระยะที่วัดจากแนวสมดุลไปยังตำแหน่งใดๆ บนคลื่น

   -ตำแหน่งที่สูงกว่าแนวสมดุล  การกระจัดจะเป็นบวก

   -ตำแหน่งที่ต่ำกว่าแนวสมดุล  การกระจัดจะเป็นลบ

4.แอมพลิจูด (Amplitude, A) คือ การกระจัดของอนุภาคที่มีค่ามากที่สุด

5.ความยาวคลื่น (Wavelength, λ) คือ  ระยะห่างระหว่างสันคลื่นกับสันคลื่นที่อยู่ติดกัน หรือท้องคลื่นกับท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน  หรือระยะความยาวของลูกคลื่น 1 ลูก 

6.คาบ (Period, T) คือ เวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น มีหน่วยเป็น วินาที

    สมบัติของคลื่น

1.การสะท้อน

    การสะท้อนของคลื่นจะเกิดเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางแล้วเปลี่ยนทิศทาง                               กลับสู่ตัวกลางเดิม

สิ่งที่ควรทราบ  ความถี่ ความยาวคลื่น และอัตราเร็วของคลื่นสะท้อน จะมีค่าเท่ากับความถี่่    ความยาวคลื่น  และอัตราเร็วของคลื่นตกกระทบเสมอ

2.การหักเห

   การหักเห คือ การที่คลื่นน้ำเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่ง(บริเวณหนึ่ง)                                                            ไปสู่อีกตัวกลางหนึ่ง(อีกบริเวณหนึ่ง) แล้วทำให้อัตราเร็วของคลื่นเปลี่ยนไป (λ เปลี่ยนไปด้วย แต่             f คงที่)  โดยที่คลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านรอยต่อระหว่างตัวกลางไปเรียกว่า  คลื่นหักเห

สิ่งที่ควรรู้

        1.เมื่อคลื่นเคลื่อนที่มาถึงรอยต่อระหว่างน้ำลึกและน้ำตื้น จะมีคลื่นเคลื่อนที่หักเหผ่านรอยต่อไป 

และจะมีคลื่นส่วนหนึ่งเกิดการสะท้อนเข้าไปสู่ตัวกลางเดิม โดยคลื่นสะท้อนนั้นจะมีแอมพลิจูดลดลง

       

       2.สมบัติการหักเหของคลื่น  จะทำให้ V และ λ  เปลี่ยนไป  แต่ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นอาจจะเปลี่ยนไปหรือคงเดิมก็ได้

                  -ถ้าทิศของคลื่นตกกระทบตั้งฉากกับรอยต่อหรือหน้าคลื่นตกกระทบขนานกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง ทิศของคลื่นที่หักเหผ่านไปในอีกตัวกลางหนึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลง

                  -ถ้าทิศของคลื่นตกกระทบทำมุมกับรอยต่อหรือหน้าคลื่นตกกระทบทำมุมกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง ทิศของคลื่นที่หักเหผ่านไปในอีกตัวกลางหนึ่งจะปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

    3.จากกฎของสเนลล์ถ้ามุมตกกระทบมากกว่าศูนย์

ในน้ำลึก  คลื่นจะมีความเร็วมาก   ความยาวคลื่นมาก  มุมตกกระทบหรือมุมหักเหจะมาก

ในน้ำตื้น  คลื่นจะมีความเร็วน้อย  ความยาวคลื่นน้อย มุมตกกระทบหรือมุกหักเหจะน้อย

3.การแทรกสอด

     เมื่อทำการทดลองโดยให้มีคลื่นต่อเนื่องจากแหล่งกำเนิดคลื่นสองแหล่งที่มีความถี่เท่ากันและมีเฟสตรงกันเคลื่อนที่มาพบกัน  จะเกิดการซ้อนทับระหว่างคลื่นต่อเนื่องทั้งสองขบวนนั้น เกิดเป็นแนวมืดและแนวสว่างสลับกัน  เรียกว่า  ลวดลายการแทรกสอด(Interference pattern) ปรากฏการณ์เช่นนี้เกิดจาก

การแทรกสอดของคลื่น

-การแทรกสอดแบบเสริมกัน  เป็นการแทรกสอดซึ่งสันคลื่นของคลื่นทั้งสองมารวมกัน  หรือท้องคลื่นของคลื่นทั้งสองมารวมกัน (เฟสตรงกันมาพบกัน)  คลื่นลัพธ์ที่เกิดขึ้น จะมีสันคลื่นสูงกว่าเดิม  และมีท้องคลื่นลึกกว่าเดิม  และจะเรียกตำแหน่งนั้นว่า  ปฏิบัพ(Anti node, A) ของการแทรกสอด โดยตำแหน่งนั้นผิวน้ำจะนูนมากที่สุดหรือเว้าลงไปมากที่สุด

  -การแทรกสอดแบบหักล้าง  เป็นการแทรกสอดซึ่งสันคลื่นจากแหล่งกำเนิดหนึ่งมารวมกับท้องคลื่นของอีกแหล่งกำเนิดหนึ่ง (เฟสตรงกันข้ามมาพบกัน) คลื่นลัพธ์ที่เกิดขึ้นจะมีสันคลื่นต่ำกว่าเดิม และท้องคลื่นตื้นกว่าเดิม  และจะเรียกตำแหน่งนั้นว่า บัพ (Node,N) ของการแทรกสอด โดยตำแหน่งนั้นน้ำจะไม่กระเพื่อมเลย  หรือกระเพื่อมน้อยที่สุด

4.การเลี้ยวเบน

   ถ้ามีสิ่งกีดขวางกั้นการเคลื่อนที่ของคลื่นเพียงบางส่วน จะพบว่ามีคลื่นส่วนหนึ่งแผ่จากขอบของสิ่งกีดขวางไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น  การที่มีคลื่นปรากฏอยู่ทางด้านหลังของแผ่นกั้นคลื่นในบริเวณนองทิศทางเดิมของคลื่นเรียกว่า  การเลี้ยวเบนของคลื่น

สิ่งที่ควรรู้

1. การเลี้ยวเบนของคลื่นยังคงมีความยาวคลื่น  ความถี่  และอัตราเร็วเท่าเดิม

2. เมื่อความถี่ของคลื่นน้ำต่ำหรือความยาวคลื่นมาก  คลื่นจะอ้อมสิ่งกีดขวางไปได้ไกลกว่าเมื่อใช้ความถี่สูง

3. แอมพลิจูดของคลื่นที่เลี้ยวเบนไปจะลดลง


ขอขอบคุณแหล่งอ้างอิง(สาระความรู้,ภาพ,วีดิโอ)

1.http://dc229.4shared.com/doc/6ctjisqz/preview.html
2.http://www.sa.ac.th/winyoo/mechanicswave/wave_typ.htm
3.http://orapanwaipan.wordpress.com/%E0%B9%80%E0%B8%81%E0%B8%B5%E0%B9%88%E0%B8%A2%E0%B8%A7%E0%B8%81%E0%B8%B1%E0%B8%9A/%E0%B8%9F%E0%B8%B4%E0%B8%AA%E0%B8%B4%E0%B8%81%E0%B8%AA%E0%B9%8C-1/%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%99%E0%B8%81%E0%B8%A5/
4.http://irrigation.rid.go.th/rid17/Myweb/machanical/commu/vorapot1.html
5.http://www.neutron.rmutphysics.com/teaching-glossary/index.php?option=com_content&task=view&id=4949&Itemid=11
6.http://www.thaigoodview.com/node/87427?page=0,1
7.http://www.youtube.com/watch?v=Ex-yCNgiNY0
8.https://www.youtube.com/watch?v=V8Pr9RFf-Dc