คลื่น

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
สำหรับความหมายอื่น ดูที่ คลื่นน้ำ
ผิวน้ำถูกรบกวน เกิดเป็นคลื่นแผ่กระจายออกรอบข้าง
คลื่น: 1.&2. คลื่นตามขวาง 3. คลื่นตามยาว

คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวน ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมักจะมีการส่งถ่ายพลังงานไปด้วย คลื่นเชิงกลซึ่งเกิดขึ้นในตัวกลาง (ซึ่งเมื่อมีการปรับเปลี่ยนรูป จะมีความแรงยืดหยุ่นในการดีดตัวกลับ) จะเดินทางและส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในตัวกลาง โดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง คือไม่มีการส่งถ่ายอนุภาคนั่นเอง แต่จะมีการเคลื่อนที่แกว่งกวัด (oscillation) ไปกลับของอนุภาค อย่างไรก็ตามสำหรับ การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และ การแผ่รังสีแรงดึงดูด นั้นสามารถเดินทางในสุญญากาศได้ โดยไม่ต้องมีตัวกลาง

ลักษณะของคลื่นนั้น จะระบุจาก สันคลื่น หรือ ยอดคลื่น (ส่วนที่มีค่าสูงขึ้น) และ ท้องคลื่น (ส่วนที่มีค่าต่ำลง) ในลักษณะ ตั้งฉากกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามขวาง" (transverse wave) หรือ ขนานกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามยาว" (longitudinal wave)

ตัวกลางของคลื่น[แก้]

ตัวกลางที่คลื่นใช้ในการแผ่กระจายออก แบ่งออกเป็นประเภทได้ตามคุณลักษณะต่อไปนี้:

  • ตัวกลางเชิงเส้น มีคุณสมบัติที่ขนาดของผลรวมคลื่น ที่จุดใด ๆ ในตัวกลางมีขนาดเท่ากับผลบวกของขนาดของคลื่นต่างขบวนกัน
  • ตัวกลางจำกัด คือ ตัวกลางที่มีขนาดจำกัด
  • ตัวกลางเนื้อเดียว คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติเหมือนๆ กันในทุกตำแหน่ง
  • ตัวกลางไอโซทรอปิก คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติ ไม่ขึ้นกับทิศทาง

คุณสมบัติของคลื่น[แก้]

คลื่นทุกประเภทจะมีพฤติกรรมร่วมที่เหมือนกันภายใต้สภาวะปกติ โดยมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ คือ

ลักษณะทางกายภาพของคลื่น[แก้]

Thpwave.png Wanderwelle-Animation.gif

ค่าที่ใช้ในการระบุรูปร่างของคลื่น คือ ความถี่ ความยาวคลื่น แอมพลิจูด คาบ

แอมพลิจูด \,A\, นั้นวัดจากขนาด ของการรบกวนตัวกลาง ที่มากที่สุด ในช่วงหนึ่งคาบ โดยมีหน่วยของการวัดขึ้นกับประเภทของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือกมีหน่วยการวัดเป็นระยะทาง (เช่น เมตร) ส่วนคลื่นเสียงมีหน่วยการวัดเป็นความดัน (เช่น ปาสกาล) และ คลื่นเม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยการวัดเป็น ค่าตามขนาดสนามไฟฟ้า (โวลต์/เมตร) ค่าแอมพลิจูดนั้นอาจมีค่าเป็นคงที่ \,A_o\, (เรียกคลื่นประเภทนี้ว่า คลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) ย่อ c.w. หรือ อาจมีค่าเปลี่ยนแปลงตามเวลา และ ตำแหน่ง \,A (t,z) \, (หากคลื่นเคลื่อนที่ไปในทิศทาง \,z\,) การเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด เรียกว่า ซอง (envelope) ของคลื่น

คาบ \,T\, เป็นช่วงเวลาที่คลื่นใช้ในการวนครบรอบในการกวัดแกว่ง ความถี่ \,f\, คือ จำนวนรอบที่คลื่นกวัดแกว่งครบรอบ ในหนึ่งหน่วยเวลา (เช่น ใน 1 วินาที) และมีหน่วยของการวัดเป็น เฮิรตซ์ โดยมีความสัมพันธ์

f=\frac{1}{T}

บางครั้งสมการทางคณิตศาสตร์ของคลื่นอาจอยู่ในรูปของ ความถี่เชิงมุม (en:angular frequency) นิยมใช้สัญญลักษณ์ \,\omega\, และมีหน่วนเป็น เรเดียนต่อวินาที และมีความสัมพันธ์กับ \,f\, ดังต่อไปนี้

f=\frac{\omega}{2 \pi}

การเคลื่อนที่ของคลื่น[แก้]

คลื่นนิ่ง - จุดสีแดง คือ บัพของคลื่น

คลื่นที่ไม่เคลื่อนที่เรียก คลื่นนิ่ง (standing wave) เช่น การสั่นของสายไวโอลิน ส่วนคลื่นที่มีการเคลื่อนย้ายตำแหน่งเรียก คลื่นเคลื่อนที่ (travelling wave) การรบกวนในตัวกลางนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา \,t\, และ ระยะทาง \,z\, (กรณีทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น คือ \,z\,) อยู่ในรูปทางคณิตศาสตร์ คือ

\,y=A (z,t) \cos (\omega t - kz + \phi) \,

โดย \,A (z,t) \, คือ ซองแอมพลิจูดของคลื่น \,k\, คือ เลขคลื่น (wave number) \,\phi\, คือ เฟส และ \,v\, คือ ความเร็วของคลื่น

v=\frac{\omega}{k}= \lambda f

โดย \,\lambda\, คือ ความยาวคลื่น

สมการคลื่น[แก้]

สมการคลื่นเป็นสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย ใช้จำลองพฤติกรรมของคลื่นฮาร์มอนิกเคลื่อนที่ในตัวกลาง สมการคลื่นมีหลายรูปแบบขึ้นกับลักษณะการส่งผ่านของคลื่น และ คุณสมบัติของตัวกลาง ตัวคลื่นก็มีรูปร่างหลากหลาย ไม่จำเป็นจะต้องเป็นคลื่นรูปไซน์เสมอไป

สมการคลื่นในรูปทั่วไป คือ

\nabla^2 \phi = {1 \over c^2}{ \partial^2 \phi \over \partial t^2 } \qquad และ ใน 1 มิติตามแนวแกน x คือ \frac{\partial^2\phi}{\partial x^2} = \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2\phi}{\partial t^2}

และ คำตอบในรูปทั่วไป (กรณี 1 มิติ ในแนวแกน x) ซึ่งค้นพบโดยดาเลมแบร์ คือ

\,\phi (x,t) =F (x-ct) +G (x+ct) \,

ใช้หมายถึงรูปร่างของคลื่น 2 ลูก โดยที่ \,F\, เคลื่อนที่ไปในทิศทาง +x และ \,G\, เคลื่อนที่ไปในทิศทาง -x

นอกจากสมการคลื่น ดังกล่าวข้างต้นแล้ว ยังมีสมการคลื่นชนิดอื่นๆ รวมถึงสมการไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งอาจทำให้เกิดการเคลื่อนมวลสารได้ด้วย เช่น สมการเชรอดิงเงอร์ (en:Schrödinger equation) ซึ่งใช้ในการจำลองพฤติกรรมเชิงคลื่นของอนุภาคในกลศาสตร์ควอนตัม โดยมีคำตอบของสมการเป็นฟังก์ชันคลื่น ที่บ่งบอกถึงความน่าจะเป็นของอนุภาค

ตัวอย่างของคลื่น[แก้]

คลื่นปะทะชายฝั่ง
ในชีวิตประจำวันคลื่นมีอยู่มากมายเช่น คลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นแสง เป็นต้น ซึ่งคลื่นเกิดขึ้นได้อย่างไร เราตอบปัญหานี้ได้ โดยพิจารณาคลื่นน้ำเป็นตัวอย่าง   เช่น การวางเศษไม้  หรือวัสดุที่ลอยน้ำได้ลงบนผิวน้ำ แล้วเราโยนก้อนหิน หรือตีน้ำทำให้เกิดคลื่น จะสังเกตเห็นเศษไม้ หรือวัสดุจะกระเพื่อมขึ้นลงอยู่กับที่ แต่จะไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น แสดงให้เห็นว่า การเกิดคลื่นเป็นการถ่ายโอนพลังงานโดยผ่านโมเลกุลของน้ำ ซึ่งโมเลกุลของน้ำ ( ตัวกลาง ) จะไม่เคลื่อนที่ไปกับคลื่น ปรากฏการณ์เช่นนี้สรุปได้ว่าวัตถุได้รับพลังงานมาจากคลื่น เราจึงสรุปได้ว่าคลื่นเกิดจากการรบกวนตัวกลาง( ในที่นี้คือน้ำ)ซึ่งสิ่งที่คลื่นพาไปคือพลังงานในรูปของการสั่น และสิ่งที่รบกวนตัวกลางเราเรียกว่าแล่งกำเนิดคลื่น 

ชนิดของคลื่น ชนิดของคลื่น จำแนกตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง แบ่งได้ 2 ประเภทคือ 1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง สามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น 2. คลื่นกล (Mechanical wave) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซก็ได้ เช่น คลื่นเสียง คลื่นที่ผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก คลื่นสปริง เป็นต้น จำแนกตามลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคของตัวกลางที่ถูกรบกวน แบ่งได้ 2 ประเภทคือ 1. คลื่นตามขวาง (Transverse waves) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นแสง คลื่นในเส้นเชือก คลื่นที่ผิวน้ำ 2. คลื่นตามยาว (Longitudinal waves) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง คลื่นในสปริง จำแนกตามลักษณะการเกิดคลื่นหรือการรบกวน แบ่งได้ 2 ประเภท คือ 1. คลื่นดล (Pulse waves) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเพียงครั้งเดียว 2 คลื่นต่อเนื่อง (Continuous waves) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่องหลายๆครั้ง



อ้างอิง[แก้]

www.rsu.ac.th/science/physics/pom/physics_2/wave/wave_1.htm หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานกลุ่มสาระวิทยาศาสตร์ : ฟิสิกส์ ม.4-6 ช่วงชั้นที่ 4 กรุงเทพ ฯ : อักษรเจริญทัศน์ 2549 หน้าที่ 154-156