การเคลื่อนที่แบบคลื่น

คนเราส่วนมากมีประสบการณ์เกี่ยวกับคลื่นมาตั้งแต่อยู่ในวัยเด็ก เช่น เมื่อเราโยนก้อนหินลงไปในสระน้ำ ก้อนหินลงไปรบกวนน้ำ ทำให้เกิดเป็นระลอกคลื่นเคลื่อนที่ออกไป และในที่สุดก็ถึงขอบสระ ถ้าสังเกตให้ดีจะเห็นใบไม้ที่ลอยอยู่ใกล้ๆ จุดที่น้ำถูกรบกวนจะกระเพื่อมขึ้นลงผ่านตำแหน่งเดิม แต่ไม่มีการกระจัดออกไป หรือเคลื่อนเข้ามาหาตำแหน่งที่ถูกรบกวนเลย มีแต่เพียงคลื่นเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง โดยที่น้ำไม่ได้ถูกนำพาไปด้วย

รูปคลื่นที่ผิวน้ำที่เกิดจากการโยนก้อนหินลงไปในสระ

คลื่นน้ำเป็นเพียงตัวอย่างเดียวของปรากฏการณ์ทางกายภาพ ที่มีลักษณะทางคลื่น ในโลกเรานี้มีคลื่นเต็มไปหมด ได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นกล เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแผ่นดินไหว คลื่นกระแทกที่เกิดจากเครื่องบินไอพ่น ซึ่งมีความเร็วเหนือเสียง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสงที่เรามองเห็น คลื่นวิทยุ สัญญาณโทรทัศน์ และรังสีเอกซ์ เป็นต้น

สำหรับคลื่นน้ำ สิ่งที่เรามองเห็นก็คือ การจัดพื้นผิวของน้ำใหม่ ถ้าไม่มีน้ำก็จะไม่มีคลื่น เราสะบัดเส้นเชือกให้มีคลื่นวิ่งไป ถ้าไม่มีเส้นเชือก ก็จะไม่มีคลื่น คลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศ ก็เพราะว่า มีการแปรผันความดัน ที่จุดหนึ่งเดินไปยังอีกจุดหนึ่ง เราเรียกว่า เป็นคลื่นในรูปแบบของการรบกวน ที่เกิดต่อตัวกลาง และเคลื่อนที่ไป จึงพิจารณาได้ว่า คลื่นก็คือ การเคลื่อนที่ของการรบกวน ซึ่งก็เป็นสถานะของตัวกลางนั่นเอง ไม่ใช่การเคลื่อนที่ของอนุภาค

เงื่อนไขในการเกิดคลื่น

เงื่อนไขที่สำคัญของการเกิดคลื่น ได้แก่ ข้อที่หนึ่ง คลื่นเกิดขึ้น เมื่อมีการรบกวนกระทำต่อบริเวณใดบริเวณหนึ่ง การรบกวนดังกล่าวคือ การกระตุ้นด้วยแรงต่อวัตถุหรือมวล ซึ่งทำให้เกิดมีการขจัดผ่านตำแหน่งหยุดนิ่งไปมา ข้อที่สอง การรบกวนเดินไปด้วยอัตราเร็ว ที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวกลาง จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในระยะเวลาอันจำกัด ข้อที่สาม คลื่นต้องอาศัยตัวกลางในการเผยแผ่ออกไป ตัวกลางอาจเป็นของแข็งหรือของไหลก็ได้

ก่อนเกิดคลื่น สภาพของตัวกลางอาจอยู่นิ่งๆ หรืออยู่ในสภาพไม่สมดุล เช่น การกระจายของคลื่นน้ำ เมื่อโยนก้อนหินลงในสระที่ราบเรียบ ก็เป็นการรบกวนที่เกิดเป็นคลื่น ตรงกันข้ามกับคลื่นในมหาสมุทร ซึ่งสภาพก่อนเกิดคลื่น พื้นน้ำมีการกระเพื่อมอยู่แล้ว หรือการกระจายคลื่นเสียงในอากาศก็เป็นตัวอย่างคล้ายคลื่นในมหาสมุทร กล่าวคือ อนุภาคอากาศเคลื่อนที่สับสนอยู่แล้ว บางครั้งยังมีลมพัดหรือมีอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องอีกด้วย ซึ่งทั้งนี้ก็เป็นสถานะก่อนเกิดคลื่นเสียง ในการยิงปืน ก๊าซที่ดันออกมาจากปากกร ะบอกปืนทำความรบกวนต่ออากาศ เกิดคลื่นเสียงกระจายออกไปซ้อนกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคอากาศ ซึ่งมีอยู่แล้วในทิศทางต่างๆ กัน

ในตัวอย่างการโยนก้อนหินลงไปในลำธาร น้ำไหล ระลอกน้ำที่เกิดขึ้น เดินทางไปได้ ทั้งทวนน้ำ และตามน้ำ เช่นเดียวกับการยิงปืนในที่ที่มีลมแรง คลื่นเสียงก็ยังทวนลม และตามลมได้ การเคลื่อนที่ของตัวกลางไม่ใช่สิ่งจำเป็นสำหรับการเกิดคลื่น แต่อาจมีผลต่ออัตราเร็วของการกระจายคลื่น

อัตราเร็วที่คลื่นกระจายออกไป เช่น การรบกวนที่เกิดกับอนุภาคของอากาศ ขึ้นอยู่กับลักษณะทางกายภาพของตัวกลาง ที่คลื่นผ่าน อัตราเร็วของคลื่นเสียงในอากาศ มีค่าน้อยกว่าอัตราเร็วของคลื่นเสียงในน้ำ ส่วนอัตราเร็วของคลื่นเสียงในแท่งเหล็ก มีค่ามากกว่าในตัวกลางทั้งสองข้างต้น ขดลวดสปริง และแผ่นยางยืดที่อยู่เฉยๆ ถือว่า ยังไม่เกิดคลื่น เพราะไม่มีการเคลื่อนไหวใดๆ ต้องใช้แรงกระทำให้เกิดการสั่น ณ จุดใดจุดหนึ่ง จึงจะเกิดคลื่นเดินออกไป คลื่นส่วนมากต้องการตัวกลางยืดหยุ่น สำหรับการเคลื่อนที่ สมบัติทางกายภาพ ที่สนับสนุนการเคลื่อนที่แบบคลื่น ได้แก่ ความยืดหยุ่น และความเฉื่อย

ความยืดหยุ่นเป็นสมบัติของตัวกลาง ที่จะสร้างแรงคืนตัวให้กับอนุภาค ที่ถูกขจัดออกไป กลับคืนสู่ตำแหน่งสมดุลของมัน ส่วนความเฉื่อยนั้น สัมพันธ์กับมวลของตัวกลางในสองลักษณะที่สำคัญ ข้อแรกคือ อนุภาคของตัวกลาง ซึ่งมีมวล จะต่อต้านการเปลี่ยนสภาพ (ปกติ) และทิศทางการเคลื่อนที่ของมัน เพราะมีแรงกระทำ ข้อที่สอง คือ ความสามารถที่อนุภาคส่งถ่ายโมเมนตัม และพลังงาน ให้กับอนุภาคมวลตัวอื่น

ความเฉื่อย และความยืดหยุ่นมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร จึงเกิดเป็นคลื่นส่งกระจายออกมา เริ่มด้วยเมื่อมีการรบกวนเกิดขึ้น และส่งโมเมนตัมให้กับอนุภาค ซึ่งมีมวล จากนั้นการเคลื่อนที่จากตำแหน่งสมดุล ก็จะเกิดขึ้น ด้วยอัตราเร็วค่าหนึ่ง ซึ่งแล้วแต่ว่าจะเป็นตัวกลางชนิดใด เนื่องจาก อนุภาคมีความเฉื่อยมันจึงยังคงเคลื่อนที่ต่อไปใน ทิศเดิม ด้วยความเร็วเดิมจนกระทั่งไปกระทบ อนุภาคอีกตัวหนึ่งซึ่งถ้าคิดว่าการชนเป็นแบบยืด หยุ่น โมเมนตัมของอนุภาคตัวแรกจะถูกถ่าย ทอดให้กับอนุภาคตัวที่สองทำให้อนุภาคแรกหยุด อนุภาคที่สองจะวิ่งต่อไปในทิศเดิมเหมือนอนุภาคแรก ด้วยอัตราเร็วเท่าเดิมตามธรรมชาติของความยืดหยุ่น (ทั้งนี้โดยสมมติว่ามวลของอนุภาค ทั้งสองมีค่าเท่ากัน) อนุภาคแรกกระทำตัวคล้าย กับเป็นระบบของมวลและสปริงที่ถูกกระทบให้เริ่ม มีการกระจัด ดังนั้นหลังจากอนุภาคแรกหยุดนิ่ง อาการสปริงของตัวกลางจะออกแรงทำให้มันถอย กลับผ่านตำแหน่งสมดุล ส่วนอนุภาคที่สอง เคลื่อนที่ต่อไปจนชนอนุภาคที่สามและสี่ไปเรื่อยๆ หลังจากชนแล้ว อนุภาคตัวที่ชน จะสั่นไปมา ผ่านตำแหน่งสมดุล เหมือนอนุภาคแรก และเกิดเป็นแบบลูกโซ่ต่อกันไป การกระจายคลื่นเกิดขึ้น โดยไม่มีการย้ายที่ของอนุภาคใดๆ ไปมากนัก เป็นแต่เพียงการสั่นไปมา ผ่านตำแหน่งสมดุลของมัน เท่านั้น

คลื่นเสียงในอากาศเป็นคลื่นตามยาว กล่าวคือ อนุภาคของอากาศ ที่กระจายคลื่น จะสั่นในทิศทางที่คลื่นเคลื่อนไป ต่างไปจากคลื่นแสง คลื่นความร้อน คลื่นวิทยุ หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ ที่กระจายออกสู่อากาศ ตรงที่คลื่นเหล่านี้ เป็นคลื่นตามขวาง เพราะสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กในคลื่น สั่นในทิศตั้งฉากกับทิศของคลื่นเอง

ในภาพการเคลื่อนที่ของลูกสูบ เมื่อเราผลักดันลูกสูบในท่อไปข้างหน้า จะเกิดส่วนอัด ซึ่งจะอัดแนวชั้นของอากาศที่อยู่ข้างหน้าติดต่อกันไป เมื่อดึงลูกสูบกลับ อากาศหน้าลูกสูบขยายตัว ลดความดัน และความหนาแน่น ต่ำกว่าค่าสมดุล (แทนด้วยบริเวณสีจาง) ค่าสมดุลใน บรรยากาศทั่วๆ ไป คือ ความดันบรรยากาศซึ่ง เทียบได้กับ ๑.๐๑๓ x ๑๐๕ ปาสกาล (หรือนิว ตันต่อตารางเมตร) คลื่นตามยาวเผยแผ่ไปใน หลอดบรรจุอากาศ แหล่งกำเนิดคลื่น ได้แก่ ลูกสูบที่ขยับไปมา ซึ่งวางตัวอยู่ทางซ้ายบริเวณ ความดันสูงและต่ำแทนด้วยสีทึบและจางตามลำดับ คลื่นตามยาวคือ คลื่นที่การสั่นของตัวกลาง ขนานกับทิศของคลื่น

เมื่อคลื่นเสียงถูกส่งผ่านตัวกลาง ความดันที่จุดใดๆ จะมีการเปลี่ยนแปลงคือ สูงกว่าความดันปกติ (ความดันบรรยากาศ) ตรงบริเวณที่เป็นส่วนอัด และต่ำกว่าความดันปกติ ตรงบริเวณส่วนขยาย การเปลี่ยนแปลงความดัน ทั้งสูงขึ้น และต่ำลงนี้ เรียกว่า ความดันเสียง เขียนได้เป็นกราฟแสดงการแปรค่าแบบไซน์

กราฟแสดงการแปรค่าแบบไซน์ของคลื่น

อัตราเร็วของคลื่นเสียงในก๊าซต่างชนิดกัน มีค่าต่างกัน แต่สำหรับก๊าซชนิดใดชนิดหนึ่งแล้ว อัตราเร็วของเสียงจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ กรณฑ์ที่สองของอุณหภูมิสัมบูรณ์ของก๊าซชนิดนั้น

ชนิดของคลื่น (Wave Type)

เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบคลื่นเกิดจากการรบกวนสภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ ทำให้เกิดการส่งผ่านพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง โดยจำเป็นต้องมีตัวกลางหรือไม่ก็ได้ ดังนั้นในการแบ่งชนิดของคลื่นจึงแบ่งออกได้เป็นชนิดต่าง ๆ ดังนี้

1. แบ่งชนิดของคลื่นโดยพิจารณา การอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ สามารถแบ่งคลื่นได้เป็น 2 ชนิด คือ

1.1 คลื่นกลหรือคลื่นยืดหยุ่น (Mechanical Wave หรือ Elastic Wave) คือ คลื่นที่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ โดยตัวกลางจะเกิดการสั่นทำให้เกิดการส่งผ่านพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง เช่น คลื่นเสียง, คลื่นน้ำ, คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น

1.2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คือ คลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นแสง, คลื่นวิทยุ เป็นต้น

2.แบ่งชนิดของคลื่น โดยพิจารณาทิศทางของการเคลื่อนที่ของคลื่นและของตัวกลางที่ถูกรบกวน สามารถแบ่งได้เป็น2ชนิดคือ

2.1 คลื่นตามขวาง (Transverse Wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนของคลื่น เช่น คลื่นน้ำ, คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น

คลื่นน้ำ

2.2 คลื่นตามยาว (Longitudinal Wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่เดียวกันกับทิศทางการเคลื่อนของคลื่น เช่น คลื่นเสียง, คลื่นในสปริง เป็นต้น

คลื่นในสปริง

3. แบ่งตามความต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดแบ่งออกได้ 2 ชนิด

3.1 คลื่นดล ( PuLse Wave ) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่น หรือการรบกวนตัวกลางเป็นช่วงเวลาสั่น ๆ ทำให้เกิดคลื่นเพียง 1 หรือ 2 คลื่น แผ่ออกไป เช่น การนิ้วจุ่มที่ผิวน้ำเพียงครั้งหรือ 2 ครั้ง

3.2 คลื่นต่อเนื่อง ( Continuous Wave ) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่น หรือการรบกวนตัวกลางอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดคลื่นแผ่ออกไปเป็นขบวนอย่างต่อเนื่อง เช่น การเกิดคลื่นผิวน้ำเนื่องจากแหล่งกำเนิดติดกับมอเตอร์ หรือการสบัดเชือกอย่างต่อเนื่อง

องค์ประกอบพื้นฐานของคลื่น
โดยทั่วไปคลื่นมีองค์ประกอบพื้นฐานดังนี้

1. ความยาวคลื่น (Wave Length ; λ ) หมายถึง ความยาวของคลื่น 1 คลื่น เป็นระยะทางที่วัดระหว่างจุดสองจุดที่สั้นที่สุดบนคลื่นที่เฟสตรงกัน ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร (m)

2. ความถี่ (Frequency ; f ) หมายถึง จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใดๆในหนึ่งหน่วยเวลา
ในระบบ SI มีหน่วยเป็น วินาที-1S-1หรือ เฮิร์ทซ์ (Hz)

3. คาบการเคลื่อนที่ (Period ; T) หมายถึง เวลาที่คลื่น 1 คลื่น เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ
ในระบบ SI มีหน่วยเป็นวินาที (s)

4. อัตราเร็วของคลื่น (Speed ; v) หมายถึง ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลาและเนื่องจากขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ไปด้วย อัตราเร็วค่าหนึ่ง เฟสของคลื่นก็เคลื่อนที่ไป

ด้วยอัตราเร็ว เท่ากัน ดังนั้นในบางครั้งจึงเรียกว่า อัตราเร็วเฟส ( Phase Speed) ของคลื่น ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (ms-1)

5. มุมเฟส (Phases Angle; Φ ) หมายถึง มุมที่ใช้กำหนดตำแหน่งบนคลื่นขณะที่เคลื่อนที่ โดยมีความสัมพันธ์กับการกระจัดของการเคลื่อนที่ของคลื่น ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเรเดียน (Radian ; rad)

6. แอมพลิจูด ( Amplitude A) หมายถึง การกระจัดสูงสุดของการสั่นของอนุภาคจากระดับปกติ ค่าของแอมปลิจูดจะบอกค่าพลังงานของคลื่นโดยพลังงานจะแปรโดยตรงกับแอมปลิจูด ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร (m)