คลื่น

ความแตกต่างระหว่างคลื่นกับอนุภาคการเคลื่อนที่ของคลื่นเป็นปรากฎการณ์การส่งถ่ายพลังงานต่อไปเรื่อยๆ จากแหล่งกำเนิดที่ถูกรบกน (เช่น การสะบัดเชือก การโยนหินลงในน้ำ) โดยมีความแตกต่างจากการเคลื่อนที่ของอนุภาค ดังนี้

• การเคลื่อนที่ของอนุภาค

เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่อนุภาคจะเป็นตัวนำพาพลังงานไปด้วยเช่น การเตะบอล มีการส่งผ่านพลังงานจากเท้าผ่านลูกบอล แล้วลูกบอลนั้นจะนำพาพลังงานต่อไปยังจุดหมาย ซึ่งจะเห็นว่าลูกบอลจะเคลื่อนที่ไปกับพลังงานนั้นด้วย

• การเคลื่อนที่ของคลื่น

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ คลื่นจะพาพลังงานไปด้วย แต่ตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจะไม่ได้เคลื่อนที่ตามคลื่นไป จะเคลื่อนที่สั่นไปสั่นมาอยู่ตำแหน่งเดิม เช่น ใบไม้บนผิวน้ำ เมื่อคลื่นน้ำผ่านมาก็จะสั่นขึ้นลงอยู่กับที่ พอคลื่นน้ำผ่านไปใบไม้ก็จะอยู่นิ่งๆ เหมือนเดิม

ประเภทของคลื่นคลื่นแบ่งได้ 2 ประเภทตามการอาศัยตัวกลางดังนี้1. คลื่นกล ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง (ตัวกลางคือสิ่งที่เคลื่อนผ่าน อาจเป็นอากาศ น้ำ เป็นต้น) คลื่นในเส้นเชือก (ตัวกลางคือเส้นเชือก)

2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ต้องการตัวกลางในการเคลื่อนที่ อาศัยการเหนี่ยวนำกันระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน คือ 3x108m/s เช่น คลื่นแสงและวิทยุ

คลื่นแบ่งได้ 2 ประเภทตามทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นและการสั่นของตัวกลางดังนี้

1. คลื่นตามขวาง คือคลื่นที่มีการเคลื่อนที่หรือการสั่นของอนุภาคตัวกลางในแนวตั้งฉากกับทิศที่คลื่นแผ่ออกไป เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นต้น

คลื่นในเส้นเชือก

2. คลื่นตามยาว คือคลื่นที่มีการเคลื่อนที่ หรือการสั่นของอนุภาคตัวกลางซึ่งเคลื่อนที่ไป-กลับ หรือสั่นในแนวเดี่ยวกันกับทิศที่คลื่นเคลื่อนที่ไป เช่น คลื่นในสปริง คลื่นเสียง เป็นต้น

คลื่นบางชนิด เช่น คลื่นสปริง อาจเป็นทั้งคลื่นตามยาว และคลื่นตามขวาง เพราะเราอาจจะอัดปริงเพื่อให้เกิดคลื่นตามยาว หรือจะสะบัดมันเพื่อให้เกิดคลื่นตามขวางก็ได้

คลื่นแบ่งได้ 2 ประเภทตามลักษณะกำเนิดคลื่นดังนี้

1. คลื่นดล คือคลื่นที่แออกไปทีเดยวแล้วไม่มีอีก เช่น เราแตะผิวน้ำหนึ่งครั้ง จะเกิดคลื่นบนผิวน้ำ คลื่นที่ออกจากแหล่งกำเนิดหนึ่งครั้งเช่นกัน

2. คลื่นต่อเนื่อง คือคลื่นที่แผ่ออกไปอย่างต่อเนื่อง เช่น เมื่อผิวน้ำถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่อง จะทำให้เกิดคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ออกจากตัวกำเนิดตลอดเวลา

ส่วนประกอบของคลื่นและอัตราเร็ว

คลื่นเป็นปรากฎการณ์ที่ประกอบด้วยการเคลื่อนที่ของสองสิ่งประกอบกัน คือตัวคลื่น ซึ่งเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงไปเรื่อยๆ กับการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางหรือบริเวณที่คลื่นผ่าน ก่อนที่จะมารู้จักอัตราเร็วของคลื่น เรามาทำควารู้จักส่วนประกอบของคลื่นกัน

ส่วนประกอบของคลื่น

1. สันคลื่น (Crest)
เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก จุด g

2. ท้องคลื่น (Crest)
เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ จุด e3. แอมพลิจูด (Amplitude)

เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ วัดจากระดับปกติไปถึงสันคลื่นหรือไปถึงท้องคลื่น สัญลักษณ์ A4. ความยาวคลื่น (wavelength)

เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน หรือระยะระหว่าง 2 ตำแหน่งบนคลื่นที่ที่เฟสตรงกัน(inphase) ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ Lamda มีหน่วยเป็นเมตร (m) ระยะ xy5. ความถี่ (frequency)
หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz) จาก cd โดย f = 1/T6. คาบ (period)
หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s/รอบ )โดย T = 1/f7. หน้าคลื่น(wave front)
เป็นแนวเส้นที่ลากผ่านตำแหน่งที่มีเฟสเดียวกันบนคลื่น เช่น ลากแนวสันคลื่น หรือลากแนวท้องคลื่น ตามรูป

หน้าคลื่นตรง (ซ้าย) และ หน้าคลื่นวงกลม (ขวา)

อัตราเร็วของคลื่นอัตราเร็วในเรื่องคลื่น แบ่งได้ดังนี้1. อัตราเร็วคลื่น หรือเรียกว่าอัตราเร็วเฟสเป็นอัตราเร็วคลื่นที่เคลื่อนที่ไปแบบเชิงเส้น ซึ่งอัตราเร็วคลื่นกลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน

2. อัตราเร็วของอนุภาคตัวกลางเป็นการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกโดนสั่นซ้ำรอยเดิมรอบแนวสมดุล ไม่ว่าจะเป็นคลื่นกลชนิดตามขวางหรือตามยาวสมการที่ใช้1.อัตราเร็วที่สันคลื่นกับท้องคลื่น เป็นศูนย์2.อัตราเร็วอนุภาคขณะผ่านแนวสมดุล มีอัตราเร็วมากที่สุด3.อัตราเร็วอนุภาคขณะมีการกระจัด y ใดๆ จากแนวสมดุล

3. อัตราเร็วคลื่นในน้ำขึ้นกับความลึกของน้ำ ถ้าให้น้ำลึก d จะได้ความสัมพันธ์

4. อัตราเร็วคลื่นในเส้นเชือกขึ้นอยู่กับแรงตึงเชือก (T) และค่าคงตัวของเชือก(u) ซึ่งเป็นค่ามวลต่อความยาวเชือก

สมบัติของคลื่น

การสะท้อน (reflection)

เกิดจากคลื่นเคล่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางแล้วเปลี่ยนทิศกลับสู่ตัวกลางเดิม

กฏการสะท้อนคลื่น

1. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ

2. รังสีตกกระทบ เส้นปกติ รังสีสะท้อน อยู่ในระนาบเดียวกัน

ผลของการสะท้อนของคลื่นที่ควรทราบ คือ

1. ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ

2. อัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับอัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ

3. ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน จะได้แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ

การหักเห (refraction)

เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง แล้วทำให้อัตราเร็วและทิศของเคลื่อนเปลี่นไป

การแทรกสอด (interference)
เกิดจากคลื่นน้ำสองขบวนเคลื่อนที่มาพบกัน แล้วเกิดการซ้อนทับกัน

การเลี้ยวเบน (diffraction)

เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง แล้วเคลื่อนที่อ้อมไปด้านหลังของสิ่งกีดขวาง

การถ่ายโอนพลังงานของคลื่น

คลื่นเป็นการถ่ายโอนพลังงานวิธีหนึ่ง สิ่งที่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่นคือพลังงาน เช่น เมื่อโยนก้อนหินลงไปในน้ำ พลังงานจนลน์จากก้อนหินจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานของคลื่นน้ำ การสังเกตว่าอนุภาคของน้ำไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่นทำได้โดยการโดยเม็ดโฟมลงไปในน้ำ เราจะพบว่าเม็ดโฟมไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น แต่เม็ดโฟมจะเคลื่อนที่ขึ้นลงในแนวดิ่ง และเคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่นคือพลังงานที่จะทำให้เรือที่อยู่ในน้ำบริเวณนั้นขยับขึ้นลงได้

คลื่นเสียง

เสียงเป็นคลื่นกลและคลื่นตามยาวชนิดหนึ่งทำไมเสียงถึงเป็นคลื่นตามยาว? ลองจินตนาการว่ากำลังเป่าแตรอยู่ การที่จะทำให้เกิดเสียงได้ จะต้องอัดลมเข้าไปในท่อแตร เหมือนกับการอัดคันสูบในกระบอกสูบ เมื่อเราอัดคันสูบเข้าไป ก๊าซที่ติดกับคันสูบก็ถูกอัดทันทีทำให้ก๊าซก้อนนี้มีความดันมากขึ้น เมื่อลูกสูบหยุดเคลื่อนที่ ก๊าซที่ถูกอัดก็เคลื่อนที่ตามกระบอกลูกสูบไป

เราสามารถสร้างคลื่นเสียงได้โดยการอัดคันสูบในกระบอกสูบให้เคลื่อนที่แบ simple hamonic ในขณะที่ลูกสูบถูกอัด ก๊าซบริเวณใกล้ลูกสูบจะมีความดันเพิ่มสูงขึ้น เรียกบริเวณนี้ว่าส่วนอัด (Compression)แต่ในขณะที่เราดึงรูปสูบออกมาก๊าซบรเวณใกล้ลูกสูบจะมีความดันลดต่ำลง เรียกบริเวณนี้ว่าส่วนขยาย (Rarefaction)สลับกันไปเรื่อย ๆ คลื่นที่เกิดขึ้น เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเสียงในตัวกลางนั้น ๆ

ถ้าลองสังเกตจะพบว่าอนุภาคตัวกลาง (อนุภาคก๊าซ) เคลื่อนที่เป็น simple hamonic ไปๆ มา ๆ แนวเดียวกับทิศที่เคลื่อนที่ตามส่วนอัดส่วนขยายของคลื่นเสียง ฉะนั้นเสียงจึงจัดเป็นคลื่นตามยาว

ระยะระหว่างกึ่งกลางส่วนอัด (หรือส่วนขยาย) ที่ติดกัน คือความยาวคลื่น บางครั้งเพื่อให้เห็นภาพจะแสดงเสียงเป็นคลื่นตามขวางเพื่อให้เห็นส่วนอัดขยายดังนี้

เสียงเป็นคลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลาง เพราะต้องอาศัยการสั่นสะเทือนของอนุภาคตัวกลางเพื่อส่งคลื่นต่อไป 

การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลาง

เมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง ความถี่ของคลื่นเสียงจะมีค่าคงตัวเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียง ส่วนอัตราเร็วของเสียงในตัวกลางหนึ่ง ๆ จะคงตัว เมื่ออุณหภูมิของตัวกลางนั้นคงตัว ดังแสดงในตารางต่อไปนี้

จากอัตราเร็วของเสียงในอากาศพบว่า อัตราเร็วของเสียงมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิของอากาศ โดยเป็นไปตามสมการ

Vt= 331 + 0.6 t

เมื่อ Vt เป็นอัตราเร็วของเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ t ใด ๆ มีหน่วยเป็น เมตร/วินาที และ t เป็นอุณหภูมิของอากาศ มีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส