หลักการและคุณสมบัติของคลื่นกล
ในชีวิตประจำวันของเรา มนุษย์สัมผัสสิ่งต่างๆ ที่มองไม่เห็น แต่สามารถตรวจวัดด้วยเครื่องมือต่างๆ ได้ เช่น คลื่น แบคทีเรีย อากาศ และฝุ่นละออง เป็นต้น
คลื่น (Wave) คือ ปรากฏการณ์การส่งผ่านพลังงาน หรือการรบกวน (Disturbance) สภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ของแหล่งกำเนิด ซึ่งก่อให้เกิดการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องหรือการสั่นของอนุภาค (ในตัวกลาง) จากต้นกำเนิดไปยังบริเวณโดยรอบ โดยไม่นำพาสสารหรือทำให้เกิดการเลื่อนตำแหน่งของอนุภาคดังกล่าวไปอย่างถาวร
การจำแนกชนิดของคลื่นตามลักษณะสำคัญ
- ชนิดของคลื่นตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง
-
คลื่นกล (Mechanical Wave) คือ คลื่นที่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นน้ำ และคลื่นเสียง
-
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คือ คลื่นที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เป็นคลื่นที่สามารถเคลื่อนที่ได้ในสภาวะสุญญากาศ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นไมโครเวฟ
- ชนิดของคลื่นตามลักษณะการเคลื่อนที่ในตัวกลาง
-
คลื่นตามขวาง (Transverse Wave) คือ คลื่นที่มีทิศทางการสั่นของอนุภาคตัวกลางตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
-
คลื่นตามยาว (Longitudinal Wave) คือ คลื่นที่มีทิศทางการสั่นของอนุภาคตัวกลางขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง และคลื่นในสปริง
- ชนิดของคลื่นตามลักษณะความต่อเนื่องของแหล่งกำเนิด
-
คลื่นดล (Pulse Wave) คือ คลื่นที่เกิดจากการรบกวนแหล่งกำเนิดหรือการรบกวนตัวกลางเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของคลื่นแผ่ออกไปอย่างจำกัด
-
คลื่นต่อเนื่อง (Continuous Wave) คือ คลื่นที่เกิดจากการรบกวนแหล่งกำเนิดหรือการรบกวนตัวกลางเป็นช่วงจังหวะ ส่งผลให้เกิดการสั่นหรือการแผ่ออกไปของคลื่นอย่างต่อเนื่อง
องค์ประกอบสำคัญของคลื่น
- สันคลื่น (Peaks) คือ ตำแหน่งสูงสุดของคลื่นหรือตำแหน่งที่มีการกระจัดเชิงบวกสูงสุด
- ท้องคลื่น (Troughs) คือ ตำแหน่งต่ำสุดของคลื่นหรือตำแหน่งที่มีการกระจัดเชิงลบต่ำสุด
- แอมพลิจูด (Amplitude) คือ ระยะการกระจัดสูงสุดของคลื่น
- ความยาวคลื่น (Wavelength) คือ ความยาวของคลื่น 1 ลูก หรือระยะห่างจากสันคลื่นถึงสันคลื่นถัดไป
- ความถี่ (Frequency) คือ จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hertz)
- คาบ (Period) คือ ช่วงเวลาในการสั่น 1 รอบของอนุภาค หรือ ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง ครบหนึ่งลูกคลื่น มีหน่วยเป็นวินาที
- อัตราเร็วคลื่นหรืออัตราเร็วเฟส คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที
สมบัติของคลื่น
การสะท้อน (Reflection) คือ ปรากฏการณ์การสะท้อนกลับของคลื่น เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง ส่งผลให้คลื่นเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทาง หรือ สะท้อนกลับ โดยมุมตกกระทบที่เกิดขึ้นจะมีค่าเท่ากับมุมสะท้อนของคลื่นเสมอ
การหักเห (Refraction) คือ ปรากฏการณ์การเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีคุณสมบัติต่างกันของคลื่น ส่งผลให้คลื่นเกิดการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ แม้ความถี่ของคลื่นยังคงเดิม แต่อัตราเร็วและความยาวคลื่นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงจากปรากฏการณ์ดังกล่าว
การแทรกสอด (Interference) คือ ปรากฏการณ์การรวมตัวกันของคลื่นต่อเนื่องจากแหล่งกำเนิดคลื่นสองแหล่ง ซึ่งมีความถี่หรือมีคุณสมบัติเหมือนกัน เคลื่อนที่มาพบกัน จึงเกิดการซ้อนทับหรือการแทรกสอดระหว่างคลื่นต่อเนื่องทั้งสอง
การเลี้ยวเบน (Diffraction) คือ คุณสมบัติเฉพาะของคลื่น เป็นปรากฏการณ์การอ้อมผ่าน หรือเลี้ยวเบนของคลื่น เมื่อพบสิ่งกีดขวาง โดยเฉพาะการเลี้ยวเบนผ่านขอบของสิ่งกีดขวาง หรือการเลี้ยวเบนผ่านช่องขนาดเล็ก (Slit)
สืบค้นและเรียบเรียง คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ และณภัทรดนัย
ข้อมูลอ้างอิง
https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7209-mechanical-wave-mechanical-wave
https://il.mahidol.ac.th/e-media/waves/categories/categories.html
http://physics.sci.rmutsb.ac.th/images/sheet/CH8.pdf