บทที่ 1 คลื่นกล

คลื่นกล

1.1 ความหมายและประเภทของคลื่น

         

           คือ การส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งโดยไม่นำพาสสารไปพร้อมกับพลังงาน มีสมบัติการสะท้อน การหักเห การเลี้ยงเบน และการแทรกสอด

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง แบ่งเป็น 2 แบบ คือ
1.คลื่นกล เป็นคลื่นที่อาศับตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง คลื่นผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
2.คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่อนที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ได้แก่ คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ คลื่นอินฟาเรด คลื่นแสง คลื่นอัลตราไวโอเล็ต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา

 จำแนกคลื่นตามทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นและการสั่นของอนุภาคตัวกลาง แบ่งเป็น 2 แบบ คือ
1.คลื่นตามขวาง คือ คลื่นที่มีทิศทางการสั่นของอนุภาคตัวกลางตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่อนในเส้นเชือก

2. คลื่นตามยาว คือคลื่นที่มีทิศการสั่นของอนุภาคตัวกลางขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง คลื่นที่เกิดจากการอัดลวดสปริงแล้วปล่อย

หมายเหตุ คลื่นแม่เหลกไฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง เพราะสนามไฟฟ้า-สนามแม่เหล็กสั่นตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

1.2 ส่วนประกอบของคลื่น

1.สันคลื่น เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก จุด g

2.ท้องคลื่น เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ จุด e

3.แอมพลิจูด ( A ) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ วัดจากระดับปกติไปถึงสันคลื่นหรือไปถึงท้องคลื่น

4.การกระจัด คือ ระยะที่วัดจากแนวสมดุลไปยังตำแหน่งใดๆบนคลื่น

    - ตำแหน่งที่สูงกว่าแนวสมดุล การกระจัดจะเป็นบวก

    - ตำแหน่งที่ต่ำกว่าแนวสมดุล การกระจัดจะเป็นลบ

5.ความยาวคลื่น คือ ระยะห่างระหว่างสันคลื่นกับสันคลื่นที่อยู่ติดกัน หรื ท้องคลื่นกับท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน หรือระยะห่างระหว่างความยาวในคลื่น 1 ลูก

6.ความถี่ ( f ) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz)  จาก cd   โดย f = 1/T

7.คาบ ( T ) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s/รอบ )  โดย  T = 1/f 

8.ความเร็วคลื่น (v) คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที บางครั้งควาวเร็วคลื่น ถูกเรียกว่า ความเร็วเฟส

9.เฟส คือ มุมที่ใช้บอกตำแหน่งของการกระจัดของคลื่น

1.3 ถาดคลื่น

   ใช้ในการศึกษาลักษณะและสมบัติของคลื่น

    - น้ำมาก ความยาวคลื่นมาก

    - น้ำน้อย ความยาวคลื่นน้อย

สันคลื่นรวมแสงจากโคมไฟ (แถบสว่าง)

ท้องคลื่นรวมแสงจากโคมไฟ (แถบมืด)

รังสีคลื่น คือ ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น

1.4 สมบัติของคลื่น

1.4.1 การสะท้อน จะเกิดเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางแล้วเปลี่ยนทิศทางกลับสู่ตัวกลางเดิม

    - รังสีกระทบ คือ เส้นแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นกระทบ

    - รังสีสะท้อน คือ เส้นแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่อนสะท้อน

    - เส้นปกติ คือ เส้นตั้งฉากกับตัวสะท้อนที่ตำแหน่งคลื่นกระทบตัวสะท้อน

    - มุมกระทบ คือ มุมที่มีรังสีตกกระทบทำกับเส้นแนวปกติ (มุมที่หน้าคลื่นตกกระทบทำกับผิวสะท้อน)

    - มุมสะท้อน คือ มุมที่รังสีสะสอนทำกับเส้นแนวปกติ (มุมที่หน้าคลื่นสะท้อนทำกับผิวสะท้อน)

หมายเหตุ ความถี่ ความยาวคลื่น และอัตราเร็วของคลื่นสะท้อน จะมีค่าเท่ากับความถี่ ความยาวคลื่น และอัตราเร็วของคลื่นตกกระทบเสมอ

การสะท้อนคลื่นในเส้นเชือก

 (ก) การสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือกปลายอิสระ (คล้อยปลายไว้หลวมๆ) คลื่นสะท้อนจะมีเฟสเหมือนคลื่นตกกระทบ

(ข) การสะท้อนปลายตรึงแน่น (มัดปลายแน่นๆ) คลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงกันข้ามกับคลื่นตกกระทบ

(ค)  การสะท้อนของเชือกสองเส้นต่อกัน 

1.คลื่นจากเชือกเส้นใหญ่ไปเส้นเล็ก จะสะท้อนเฟสกลับมีเฟสตรงกันข้าม และแอมพลิจูดลดลง

2.คลื่นจากเชือกเส้นใหญ่ไปยังเชือกเส้นเล็ก จะสะท้อนกลับมีเฟสเหมือนเดิม และแอมพลิจูดลดลง

1.4.2 การหักเห การที่คลื่นน้ำเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่ง(บริเวณหนึ่ง) ไปสู่อีกตัวกลางหนึ่ง(อีกบริเวณหนึ่ง) ทำให้อัตราเร็วเปลี่ยนไปแต่ความถี่เท่าเดิม

กฎของสเนลล์

    มุมตกกระทบ คือมุมที่คลื่นตกกระทบกระทำกับเส้นปกติ หรือมุมที่หน้าคลื่นตกกระทบทำกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง
    มุมหักเห คือ มุมที่ทิศคลื่นหักเหกระทำกับเส้นปกติ หรือมุมที่หน้าคลื่นหักเหกระทำกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง ถ้าคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่ 1 เข้าสู่ตัวกลางที่ 2 จะได้กฎสเนลล์ดังนี้

สิ่งที่ควรรู้

1.เมื่อคเคลื่อนที่มาถึงรอยต่อระหว่างน้ำลึกกับน้ำตื้น จะมีคลื่นเคลื่อนที่หักเหผ่านรอยต่อ และจะมีคลื่นส่วนหนึ่งเกิดการสะท้อนเข้าไปสู่ตัวกลางเดิม โดยคลื่นสะท้อนจะมีแอมพลิจูดลดลง

2.สมบัติการหักเหของคลื่น จะมีความเร็วคลื่นและความยาวคลื่นเปลี่ยนไป แต่ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นอาจจะเปลี่ยนหรือคงเดิมก็ได้

    - ถ้าทิศของคลื่นตกกระทบตั้งฉากกับรอยต่อหรือหน้าคลื่นตกกระทบขนานกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง ทิศของคลื่นที่หักเหผ่านไปในอีกตัวกลางหนึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลง

    - ถ้าทิศของคลื่นตกกระทบทำมุมกับรอยต่อหรือหน้าคลื่นตกกระทบทำมุมกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง ทิศของคลื่นที่หักเหผ่านไปอีกตัวกลางหนึ่งจะเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

3.จากกฎของสเนลล์ถ้ามุมตกกระทบมากกว่าศูนย์

    - ในน้ำลึก คลื่นจะมีความเร็วมาก ความยาวคลื่นมาก มุมตกกระทบหรือมุมหักเหจะมาก

    - ในน้ำตื้น คลื่นจะมีความเร็วน้อย ความยาวคลื่นน้อย มุมตกกระทบหรือมุมหักเหจะน้อย

1.4.3 การแทรกสอด

   มีความถี่เท่ากันและเฟสตรงกัน เมื่อพบกัน จะเกิดการซ้อนทับระหว่างคลื่นต่อเนื่องทั้งสองขบวนนั้น เกิดเป็นแนวมืดส่วางสลับกัน เรียกว่า ลวดลายการแทรกสอด

1.4.4 การเลี้ยวเบน

   มีสิ่งกีดขวางกั้นการเคลื่อนที่ของคลื่นเพียงบางส่วน จะพบว่ามีส่วนหนึ่งแผ่จากขอบของสิ่งกีดขวางไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น การที่มีคลื่นปรากฏอยู่ทางด้านหลังของแผ่นกั้นคลื่นในบริเวณของทิศทางเดิมของคลื่นนั้น เรียกว่า การเลี้ยงเบนของคลื่น

สิ่งที่ควรรู้

1.การเลี้ยวเบนของคลื่นยังคงมีความยาวคลื่น ความถี่ และอัตราเร็วเท่าเดิม

2.เมื่อความถี่ของคลื่นน้ำต่ำหรือความยาวคลื่นมาก คลื่นจะอ้อมสิ่งกีดขวางไปได้ไกลกว่าเมื่อใช้ความถี่สูง

3.แอมพลิจูดของคลื่นที่เลี้ยวเบนไปจะลดลง