คลื่นกล (1)

การเคลื่อนที่แบบคลื่น

การเคลื่อนที่แบบคลื่น หมายถึง "การเคลื่อนที่ ซึ่งพลังงานถูกถ่ายโอนไปข้างหน้าได้โดยที่อนุภาค ตัวกลางสั่นอยู่ที่เดิม"

ประเภทของคลื่น

วิธีแบ่งที่ 1 แบ่งโดยอาศัยทิศทางของพลังงานกับทิศการสั่นอนุภาค จะแบ่งคลื่นได้ 2 ประเภทคือ
- คลื่นตามขวาง คือ คลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือก
- คลื่นตามยาว คือ คลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวเดียวกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง
วิธีแบ่งที่ 2 แบ่งโดยอาศัยลักษณะการใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ได้ 2 ประเภทคือ
- คลื่นกล คือ คลื่นที่ต้องอาศัยอนุภาคตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นน้ำ คลื่นเสียง
- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คือ คลื่นที่ไม่ต้องอาศัยอนุภาคตัวกลางในการเคลื่อนที่ ได้แก่ รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต คลื่นแสง เป็นต้น
นอกจากนี้ยังสามารถจำแนกตามลักษณะความต่อเนื่องของการสั่นของการกำเนิดคลื่น ได้ 2 ประเภท คือ
- คลื่นดล (pulse wave) คือ คลื่นที่เกิดจากการรบกวนตัวกลางเป็นเวลาสั้นๆ เช่น การโยนก้อนหินลงน้ำ การสะบัดเชือกทันใดหนึ่งครั้ง สามารพบได้ในรูปแบบของคลื่นที่แสดง 1 สันคลื่น (crest) เด่นขึ้นมา หรือในบางกรณีปรากฏในลักษณะของ wave packet
- คลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) คือ คลื่นที่เกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิดหลายครั้งติดต่อกัน โดยความถี่ของคลื่นที่เกิดขึ้นเท่ากับความถี่ของการรบกวนของแหล่งกำเนิดคลื่น

คลื่นผิวน้ำ

ถ้าโยนก้อนหินลงไปในน้ำ จะสังเกตเห็นการกระเพื่อมของน้ำเป็นรูปคลื่นและแผ่กระจายออกไป โดยที่โมเลกุลของน้ำจะสั่นขึ้น-ลงอยู่กับที่ไม่ได้เคลื่อนที่แผ่กระจายออกไปกับคลื่น เช่นเดียวกับคลื่นบนเส้นเชือกที่สั่นอย่างต่อเนื่องโดยโมเลกุลของเส้นเชือกขยับขึ้น-ลงอยู่กับที่ไม่ได้เคลื่อนที่ไปกับคลื่น ตำแหน่งที่ตัวกลางเคลื่อนที่ขึ้น-ลง จากแนวปกติ เรียกว่า การกระจัด (Displacement)

ส่วนประกอบของคลื่น
- สันคลื่น คือ จุดสูงสุดของคลื่น หรือตำแหน่งการกระจัดมากที่สุดเหนือระดับปกต
- ท้องคลื่น คือ จุดต่ำสุดของคลื่น หรือตำแหน่งการกระจัดมากที่สุดต่ำกว่าระดับปกติ
- แอมปลิจูด (A) คือ ความสูงของสันคลื่น หรือท้องคลื่นจากระดับปกติ ค่า A สื่อถึงพลังงานของคลื่น
- ความยาวคลื่น ( $lambda$ ) คือ ระยะระหว่างสันคลื่น 2 สันที่อยู่ติดกัน หรือ ความยาวของคลื่น 1 ลูกคลื่น
- คาบ (T) คือ เวลาที่คลื่นใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 ลูกคลื่น มีหน่วยเป็นวินาที (s)
- ความถี่ (f) คือ จำนวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้นต่อหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วย รอบ/s หรือเฮิตรซ์ (Hz) สามารถความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และคาบได้จาก $begin mathsize 14px style f equals จำนวนคล ื่ นท ี่ เก ิ ด over เวลาท ี่ เก ิ ดคล ื่ นน ั้ น end style$ หรือ $begin mathsize 14px style f equals 1 over T end style$
  เมื่อ $f$ คือความถี่ (Hz) $T$ คือ คาบ (วินาที)
- อัตราเร็วคลื่น (v) คือ อัตราส่วนระหว่างระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปได้ต่อเวลาที่ใช้ใน การเคลื่อนที่ไป เราสามารถคำนวณหาอัตราเร็วคลื่นได้จาก
  
  $v equals s over t$ หรือ $v equals f lambda$
  
  $v$ คือ อัตราเร็ว (m/s)
  $s$ คือ ระยะทางที่เคลื่อนที่ไปได้(m)
  t คือ เวลาที่คลื่นใช้ในการเคลื่อนที่ (s)
  $f$ คือ ความถี่คลื่น (Hz หรือ 1/s)
  λ คือ ความยาวคลื่น (m)
- เฟส (Phase) ของคลื่น คือ มุมบนหน้าคลื่น
  - เฟสตรงกัน คือ เฟสที่อยู่คนละลูกคลื่น เมื่อยกลูกคลื่นที่ต่างกันไปซ้อนกันเฟสที่ ตรงกันนั้น จะซ้อนกันได้พอดี ดังรูปที่ 3.1.8.1
    จากรูปจะเห็นได้ว่า เฟสที่ตรงกันได้แก่
    90° = 450° = 810° = 1170° และ
    270° = 630° = 990° = 1350°
    "เฟสตรงกัน จะอยู่ห่างจากระดับน้ำปกติ
    เท่ากัน อยู่ด้านเดียวกัน และมีทิศทางการเคลื่อนที่เหมือนกันจะจุดบนหน้าคลื่นอยู่
    ห่างกัน = $n lambda$ "
    เมื่อ n = 1, 2, 3, … λ คือ ความยาวคลื่น (m)
  - เฟสตรงกันข้าม คือ จุดบนหน้าคลื่นซึ่งอยู่ห่างกัน $open parentheses n minus 1 half close parentheses lambda$ เมื่อ n = 1 , 2 , 3 , …
    จากรูปข้างต้นใน 3.1.8.1 เฟสที่ตรงกันข้าม ได้แก่ 90° กับ 270° และ 90° กับ 630° เป็นต้น