บทที่ 1 คลื่นกล

คลื่น คือ การส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยไม่มีการนำพาสสารไปพร้อมกับพลังงาน 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 คือ 3 x 10^8 เมตรต่อวินาที

การจำแนกคลื่นตามทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นและการสั่นของอนุภาคตัวกลาง แบ่งเป็น 2 แบบ คือ

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



2. คลื่นตามยาว (LONGITUDINAL WAVE) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่เคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่เดียวกันกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง , คลื่นในสปริงเป็นต้น




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

สรุป
1. คลื่นกลต้องอาศัยตัวกลาง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางมี 7 ชนิด คือ วิทยุ ไมโครเวฟ อินฟาเรด แสง อัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา
2. คลื่นตามขวาง ตัวกลางสั่นตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นตามยาว ตัวกลางสั่นขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น
3. สมบัติคลื่นที่สำคัญมี 4 ชนิดคือ การสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน การแทรกสอด
4. น้ำลึกความยาวคลื่นมาก ความเร็วมาก น้ำตื้นความยาวคลื่นน้อย ความเร็วน้อย แต่น้ำลึก น้ำตื้นมีความถี่เท่ากัน
5. สูตรที่ควรรู้ v=fλ v คือ ความเร็ว, f คือ ความถี่, λ คือ ความยาวคลื่น


แหล่งอ้างอิงจาก
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