แสง ปะทะ เสียง ! ศึกประชันความเร็วของคลื่น จากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า (ตอนจบ)

จากบทความ “แสง ปะทะ เสียง ! ศึกประชันความเร็วของคลื่น จากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า (ตอนแรก)” เราได้ทราบถึงนิยามของแสง ความเร็วของแสง และสิ่งที่มีอิทธิผลต่อความเร็วแสงแล้ว เพื่อจะทำการเปรียบเทียบความเร็ว ในบทความนี้ เราจะมาดูในมุมของเสียง และสรุปผลการประลองกัน

เสียง

       เป็นคลื่นเชิงกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้ คลื่นเสียงเกิดจาก การสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุเกิดการสั่นสะเทือน จะเกิดการถ่ายโอนพลังงานให้กับอนุภาคของตัวกลาง ทำให้อนุภาคของตัวกลางสั่น แล้วถ่ายโอนไปยังอนุภาคอื่นๆที่อยู่ข้างเคียงให้สั่นตาม เป็นอย่างนี้ต่อเนื่องไปเรื่อยจนกระทั่งถึงอนุภาคตัวกลางที่อยู่ติดกับเยื่อแก้วหู อนุภาคเหล่านี้สั่นไปกระทบเยื่อแก้วหู ทำให้เยื่อแก้วหูสั่นตาม จึงทำให้เราได้ยินเสียง

อัตราเร็วของเสียง

     เนื่องจาก เสียงเป็นคลื่นตามยาว ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นอัตราเร็วของเสียงจึงไม่คงที่ ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลาง และสมบัติของตัวกลาง ได้แก่ ความยืดหยุ่น ความหนาแน่น และอุณหภูมิของตัวกลางนั้น เป็นต้น

     โดยทั่วไปความเร็วของคลื่นเสียงจะขึ้นอยู่กับสมบัติที่สำคัญ 2 อย่าง คือ ความยืดหยุ่น (elastic property) และ ความเฉื่อย (inertial property)

ความยืดหยุ่น

     เป็นสมบัติซึ่งเกี่ยวข้องกับการรักษารูปร่างเมื่อได้รับแรงกระทำ ตัวอย่างเช่น เหล็กจะเปลี่ยนรูปร่างไปเพียงเล็กน้อยหากเปรียบเทียบกับยางเมื่อได้รับแรง กระทำในลักษณะเดียวกัน ในระดับอนุภาคนั้น วัตถุที่รักษารูปร่างได้ดีหรือของแข็งเช่นเหล็กนั้น สามารถอธิบายได้ว่า มีแรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลสูง ซึ่งแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคนี้จะป้องกันการเปลี่ยนรูปร่างของวัตถุเมื่อมี แรงภายนอกมากระทำ และโดยทั่วไปของแข็งจะมีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคสูงที่สุด ตามด้วยของเหลวและก๊าซตามลำดับ ด้วยเหตุผลข้อนี้ทำให้ อัตราเร็วของเสียงในของแข็งจึงเร็วกว่าในของเหลวและก๊าซตามลำดับนั่นเอง

ความเฉื่อย

   เป็นสมบัติของวัตถุซึ่งเกี่ยวข้องกับการต้านการเปลี่ยนแปลงสภาพการ เคลื่อนที่เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ ตัวอย่างของสมบัติที่แสดงถึงความเฉื่อย เช่น ความหนาแน่นของตัวกลาง ดังที่กล่าวไปแล้วว่า อัตราเร็วของเสียงในของแข็งเร็วกว่าในของเหลวและก๊าซตามลำดับ แต่หากเปรียบเทียบความเร็วของเสียงในตัวกลางซึ่งมีสถานะเดียวกัน จะพบว่าความเร็วเสียงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยจะมากกว่าความเร็วเสียง ในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงกว่า ดังจะเห็นได้จาก อัตราเร็วเสียงในฮีเลียม (965 m/s) มีค่ามากกว่าอัตราเร็วเสียงในอากาศ (331 m/s) เกือบ 3 เท่า

บทสรุป

   เมื่อเกิดฟ้าแลบหรือฟ้าผ่า การเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าทำให้อากาศในบริเวณที่สายฟ้าเคลื่อนที่ผ่านมีอุณหภูมิสูงมากจนขยายตัวอย่างฉับพลัน ทำให้เกิด ช็อคเวฟ (shock wave) ส่งเสียงดังออกมาเรียกว่า "ฟ้าร้อง" ฟ้าแลบและฟ้าร้องเกิดขึ้นพร้อม ๆ กัน แต่เรามองเห็นฟ้าแลบก่อนได้ยินเสียงฟ้าร้อง เนื่องจากแสงมีความเร็วมากกว่าเสียง แสงมีอัตราเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ส่วนเสียงมีอัตราเร็วประมาณ 0.34 กิโลเมตรต่อวินาทีเท่านั้น  

   ดังนั้น ในกรณีของฟ้าผ่า ฟ้าร้องนั้น ตัวกลางหรืออากาศจึงมีผลในการลดทอนความเร็วขอคลื่นเสียงมาก ในขณะที่คลื่นแสงยังสามารถวิ่งได้ด้วยความเร็วที่ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที จึงทำให้คลื่นแสงมาถึงตัวเราก่อนคลื่นเสียงอย่างแน่นอน

เนื้อหาจาก

http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/89/sound.html

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/10/sound/sound/velocity.htm

http://www.sa.ac.th/winyoo/Sound/sound_speed.htm

http://www.lesa.biz/earth/atmosphere/phenomenon/thunder

ภาพจาก

https://sites.google.com/site/physicsrsut/bth-thi-2

http://physics.info/sound