คลื่นกล (Mechanical Wave )
คลื่นกล คือการถ่ายโอนพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง โดยการเคลือนที่ไปของคลื่นต้องมีโมเลกุลหรืออนุภาคตัวกลางเป็นตัวถ่ายโอนพลังงานจึงจะทำให้คลื่นแผ่ออกไปได้ ดังนั้นคลื่นกลจะเดินทางและส่งผ่านพลังงานโดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง เพราะตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่แต่จะสั่นไปมารอบจุดสมดุล ต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง
คำว่าคลื่นตามคำจำกัดความ หมายถึง การรบกวน (disturbance) สภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ และการรบกวนนั้นจะเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งออกไปยังอีกจุดหนึ่งได้ตามเวลาที่ผ่านไป ในบทนี้จะกล่าวถึงกฎเกณฑ์ต่างๆ ของคลื่นในทางฟิสิกส์
การแบ่งประเภทของคลื่น
1. คลื่นตามขวาง (transverse wave) ลักษณะของ
คลื่นตามขวาง
2. คลื่นตามยาว (longitudinal wave) ลักษณะ
คลื่นตามยาว
ส่วนประกอบของคลื่น
ส่วนประกอบต่างๆ ของคลื่น
1) แอมพลิจดู คือ ระยะการกระจัดที่มีค่ามากที่สุดจากแนวสมดุลไปยังสันคลื่น หรือท้องคลื่น (ระยะ A)
2) ยอดคลื่น หรือสันคลื่น คือ ต าแหน่งบนสุดของคลื่นแต่ละลูก
3) ท้องคลื่น คือ ต าแหน่งล่างสุดของคลื่นแต่ละลูก
4) เฟส คือ ต าแหน่งบนคลื่นซึ่งสัมพันธ์กับการกระจัดของการเคลื่อนที่ของคลื่น
5) ความยาวคลื่น คือ ความยาวของคลื่น 1 ลูก เป็นระยะทางที่วัดจากเฟสถึงเฟสเดียวกันของคลื่นลูกถัดไป
รูปคลื่นต่อเนื่องวงกลม รูปคลื่นต่อเนื่องเส้นตรง
รูป หน้าคลื่นตรง
รูป หน้าคลื่นวงกลม
รูปแสดงหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับรังสีคลื่นเสมอ
อัตราเร็ว
อัตราเร็วในเรื่องคลื่น แบ่งได้ดังนี้
1. อัตราเร็วคลื่น หรือเรียกว่าอัตราเร็วเฟส เป็นอัตราเร็วคลื่นที่เคลื่อนที่ไปแบบเชิงเส้น ซึ่งอัตราเร็วคลื่นกลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน
สมการที่ใช้
2. อัตราเร็วของอนุภาคตัวกลาง เป็นการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก โดนสั่นซ้ำรอยเดิมรอบแนวสมดุล ไม่ว่าจะเป็นคลื่นกลชนิดตามขวางหรือตามยาว
สมการที่ใช้
1.อัตราเร็วที่สันคลื่นกับท้องคลื่น เป็นศูนย์
2.อัตราเร็วอนุภาคขณะผ่านแนวสมดุล มีอัตราเร็วมากที่สุด
3.อัตราเร็วอนุภาคขณะมีการกระจัด y ใดๆ จากแนวสมดุล
3. อัตราเร็วคลื่นในน้ำ ขึ้นกับความลึกของน้ำ ถ้าให้น้ำลึก d จะได้ความสัมพันธ์
การเกิดคลื่นและการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก
การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล อนุภาคตัวกลางจะเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย ซ้ำรอยเดิมรอบจุดสมดุล ไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น การเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางแบบนี้เราจะเขียนแทนการเคลื่อนที่ของคลื่นแบบรูปไซน์ ( sinusoidal wave ) ซึ่งเราสามารถหาค่าปริมาณต่างๆ ได้ ดังนี้
รูปแสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางขณะคลื่นเคลื่อนที่
ลักษณะการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย
1.เป็นการเคลื่อนที่แบบสั่นหรือแกว่งกลับไปกลับมาซ้ำรอยเดิมโดยมีการกระจัดสูงสุดจากแนวสมดุล
(แอมพลิจูด) คงที่
2.เป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร่งและแรงแปรผันโดยตรงกับขนาดของการกระจัด แต่มีทิศทางตรงข้ามกันเสมอ (แรงและความเร่งมีทิศเข้าหาจุดสมดุล แต่การกระจัดมีทิศพุ่งออกจากจุดสมดุล)
3.ณ ตำแหน่งสมดุล x หรือ y = 0 , F = 0 , a = 0 แต่ v มีค่าสูงสุด
4.ณ ตำแหน่งปลาย x หรือ y , F , a มีค่ามากที่สุด แต่ v = 0
5.สมการการเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิก
คลื่นรูปไซน์ แสดงการกระจัด y และเฟส
XXXXX1.
XXXXXและXXX
XXXXX2.
XX และXXX
XXXXX3.
XและXXX
7. การเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิกของ สปริง และลูกตุ้มนาฬิกา
8. ลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่นขณะเวลาต่างๆ( เมื่อ period หรือ คาบ หมายถึงเวลาครบ 1 รอบ)
9. การบอกตำแหน่งบนคลื่นรูปไซน์ ด้วย เฟส (phase) เป็นการบอกด้วยค่ามุมเป็นเรเดียน หรือองศา
การระบุเฟสด้วยมุมที่เป็นองศาและมุมเรเดียน
เฟสตรงกันบนคลื่น จะห่างจากตำแหน่งแรก 1 Lamda , 2 Lamda , 3 Lamda , .....
เฟสตรงกันข้ามกันบนคลื่น จะห่างจากตำแหน่งแรก 1/2 Lamda , 3/2 Lamda , 5/2 Lamda , ....
ตัวอย่าง
การซ้อนทับกันของคลื่น
เมื่อคลื่น 2 ขบวนผ่านมาในบริเวณเดียวกัน มันจะรวมกัน โดยอาศัยหลักการซ้อนทับของคลื่น ( Superposition principle) การซ้อนทับกันมี 2 แบบ คือแบบเสริม และแบบหักล้าง
1. การซ้อนทับแบบเสริม เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกัน เข้ามาซ้อนทับกัน เช่น สันคลื่น+ สันคลื่น หรือท้องคลื่น+ท้องคลื่น ผลการซ้อนทับทำให้แอมปลิจูดเพิ่มขึ้นมากที่สุด เท่ากับผลบวกของแอมปลิจูด คลื่นทั้งสอง
 |
| การซ้อนทับกันของคลื่น แบบเสริม |
 |
| การซ้อนทับกันของคลื่น แบบหักล้าง |
 |
| ภาพเคลื่อนไหวการซ้อนทับกันของคลื่นแบบเสริม |
