คลื่นกล

คลื่น

ชนิดของคลื่น

1.1 การจำแนกคลื่นตามลักษณะของตัวกลาง แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ดังนี้

1) คลื่นกล (mechanical wave) คือ คลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่สามารถถ่ายทอดและโมเมนตัมโดยอาศัยความยืดหยุ่นของตัวกลาง เช่น คลื่นเสียง คลื่นน้ำ คลื่นในเส้นเชือก

2) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) คือ คลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น แสง คลื่นวิทยุ คลื่นโทรทัศน์

1.2 การจำแนกคลื่นตามลักษณะการกำเนิดคลื่น แบ่งเป็น 2 ประเภท ดังนี้

1) คลื่นดล (pulse wave) คือ คลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่นเพียงครั้งเดียว ทำให้เกิดคลื่นเพียงหนึ่งลูก อาจมีลักษณะกระจายออกจากแหล่งกำเนิดที่ทำให้เกิดคลื่น เช่น การโยนหินลงไปในน้ำ

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

1.3 การจำแนกคลื่นตามลักษณะการเคลื่อนที่แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ                                 

1) คลื่นตามยาว (longitudinal wave) คือ คลื่นที่อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับ ในทิศทางเดียวกันกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง คลื่นที่เกิดจากการอัดและขยายของสปริง

2) คลื่นตามขวาง (transverse wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ ไปกลับในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางที่เคลื่นเคลื่อนที่เช่น คลื่นในเส้น เชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ส่วนประกอบของคลื่น

1) แอมพลิจูด คือ ระยะการกระจัดที่มีค่ามากที่สุดจากแนวสมดุลไปยังสันคลื่น หรือท้องคลื่น (ระยะ A)

2) ยอดคลื่น หรือ สันคลื่น คือ ตำแหน่งบนสุดของคลื่นแต่ละลูก

3) ท้องคลื่น คือ ตำแหน่งล่างสุดของคลื่นแต่ละลูก

4) ความยาวคลื่น คือ ความยาวของคลื่น 1 ลูก เป็นระยะทางที่วัดจากเฟสถึงเฟสเดียวกันของคลื่นลูกถัดไป

5) คาบ (period,T) คือเวลาที่คลื่นใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 ลูกคลื่น มีหน่วยเป็น วินาที (s)

6) ความถี่ (frequency , f ) คือจํานวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา เช่น ถ้าเกิด คลื่น 3 ลูกในเวลา 1 วินาที เช่นนี้เรียกได้ว่าความถี่คลื่นมีค่า 3 รอบต่อวินาที ความถี่ มีหน่วยเป็น รอบ/วินาที หรือ 1 /วินาที หรือสั้นๆ ว่า เฮิตรซ์  (Hz) เราอาจคํานวณหาค่าความถี่ได้จาก

 7. เฟส คือ การบอกตำแหน่งบนหน้าคลื่นในรูปของมุมหน่วย องศาหรือเรเดียนสูตรใช้คํานวณเกี่ยวกับเฟส       ของคลื่น ได้แก่

                                           

8. อัตราเร็วคลื่น (wave speed , v ) คือระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา เราสามารถคํานวณหาอัตราเร็วคลื่นได้จาก 

สมบัติของคลื่น มีดังนี้

1. การสะท้อนของคลื่น  เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ถึงปลายสุดของเชือก หรือสปริงที่ตรึงไว้ คลื่นจะสะท้อนกลับมา แอมพลิจูดของคลื่นที่สะเท้อนกลับ มีทิศตรงข้ามกับแอมพลิจูดของคลื่นเดิม (เฟสตรงข้ามกับคลื่นเดิม)

รูปที่ 6 การสะท้อนของคลื่นวงกลม

รูปที่ 7 การสะท้อนของหน้าคลื่นที่เป็นเส้นตรง

สมบัติการสะท้อนของคลื่น มีดังนี้

1) อัตราเร็วของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับอัตราเร็วของคลื่นตกกระทบเสมอ

2) ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ

3) ความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนเท่ากับความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ

4) ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ 

กฎการสะท้อนของคลื่น

1) มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน

2) รังสีตกกระทบ เส้นปกติ และรังสีสะท้อนต้องอยู่บนระนาบเดียวกัน

รูปที่ 8 การสะท้อนของคลื่นต่อเนื่องเส้นตรงจากแผ่นกั้นผิวโค้งเว้า

รูปที่ 9 การสะท้อนของคลื่นต่อเนื่องวงกลมจากแผ่นกั้นผิวโค้งเว้า

ข้อสังเกต 

1.การสะท้อนของคลื่นที่ปลายสุดตรึงแน่น จะทำให้เกิดคลื่นสะท้อนที่มีเฟสตรงข้ามกับคลื่นตกกระทบ

2.การสะท้อนของคลื่นที่ปลายสุด เป็นปลายอิสระ จะทำให้เกิดคลื่นสะท้อนที่มีเฟสเหมือนกับคลื่นตกกระทบ

3.การหักเหของคลื่น  คือ การเปลี่ยนแปลงอัตราเร็วและความยาวคลื่นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านจากตัวกลางหนึ่ง ไปยัง อีกตัวกลางหนึ่ง

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. การแทรกสอด  คือ การรวมกันของคลื่นที่ส่งกันมาเป็นขบวนต่อเนื่อง

รูปที่ 12 การแทรกสอดของคลื่นน้ำต่อเนื่อง 2 คลื่น

บัพและปฏิบัติบัพ

บัพ (node:N ) หมายถึง จุดที่คลื่นมาพบกันแล้วแทรกสอดกัน หักล้างหมดตลอดเวลา

ปฏิบัพ(antinode: A) หมายถึง จุดที่คลื่นมาพบกันแล้วแทรกสอดแบบเสริมกันตลอดเวลา

รูปที่ 13 การรวมกันของคลื่นแบบหักล้างและเเบบเสริม

 4.การเลี้ยวเบน 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