วันศุกร์ที่ 14 มกราคม พ.ศ. 2554

คลื่นกล

เกี่ยวกับคลื่นกล



คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวนจากแหล่งกำเนิด ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมีการส่งถ่ายโอนพลังงานแผ่ออกไปด้วย
คลื่นกล หมายถึง การแผ่คลืนหรือการถ่ายโอนพลังงานของคลื่นต้องมีโมเลกุลหรืออนุภาคตัวกลางเป็นตัวถ่ายโอนพลังงานจึงจะทำให้คลื่นแผ่ออกไปได้
ดังนั้นคลื่นกลจะเดินทางและส่งผ่านพลังงานจากจุด หนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในตัวกลาง โดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง เพราะตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่แต่จะสั้นไปมารอบจุดสมดุล ต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง
ค่าที่ใช้ในการระบุรูปร่างของคลื่น คือ ความถ่ี(Hz) ความยาวคลื่น () แอมพลิจูด(A) คาบ(T) การกระจัด(S) ความเร็วคลื่น(v)
คำว่า เฟส (Phase) หมายถึง การบอกตำแหน่งบนคลื่นที่มีการกระจัดๆหนึ่ง นิยมบอกเป็นค่าของมุม เช่น จุด ก มีเฟสเท่ากับ 90 องศา หรือ "พายส่วนสอง" และเฟสสองเฟสจะตรงกันก็เพราะว่ามีทิศการกระจัดทิศเดียวกัน
คำว่า ลูกคลื่น (Loop) หมายถึง สั้นคลื่น หรือท้องคลื่น ซึ่งมีความยาวเป็นครี่งหนึ่งของความยาวคลื่น
แนวสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่มีเฟสตรงกันของคลื่นต่อเนื่อง เรียกว่า หน้าคลื่น
คลื่นความถี่ 2 Hz คือ คลื่นเดินทางได้สองรอบ(หรือ 4 ลูกคลื่น)ต่อ 1 วินาที นั้นคือ คลี่นนี้คาบหนึ่งได้ 0.5 วินาที ดังนั้น
T = 1/f หรือ f = 1/T
เมื่อ f คือจำนวนรอบต่อวินาที รอบหนึ่งมีความยาว เมตร ดังนั้นความเร็วของคลื่นคือ
v = f








 คลื่นกลแบบต่างๆ


คลื่นกลที่เกิดจากการสั้น เช่น การแกว่งของลูกตุ้ม ความถี่ของคลื่นไม่ขึ้นอยู่กับความเร็ว(v)หรือขนาดมุม()ของการแกว่ง แต่อยู่กับความยาวของเชือก(l)หรือแขนที่ตึงลูกต้มนั้นไว้ ดังสมการ
ความถี่นี้เรียกว่า ความถี่ธรรมชาติ เช่นเดียวกับกรณีของสปริง
k คือ ค่งคงตัวสปริง(N/m), m คือ มวลของวัตถุ(Kg)
หากพิจารณากราฟการกระจัด(S)กับเวลา(t)ของคลื่น กลจะมีลักษณะเป็นการเคลื่อนที่ แบบฮามอนิกอย่างง่าย ดังนั้นการกระจัดตามแนวตั้งมีความสัมพันธ์ดังสมการของกราฟฟังก์ชันไซน์ เมื่อคลื่นนั้น เรเดียน แอมพิจูด A เมตร หรือ ความเร็ว red/s
S = Asin หรือ S = Asint

คลื่นแบ่งตามการสั่นของตัวกลางกับทิศทางการแผ่คลื่นได้ 2 ชนิดคือ
1. คลื่นตามขวาง การสั่นของตัวลางมีทิศตรงข้ามกับการแผ่คลื่น
2. คลื่นตามยาว การสั่นของตัวลางมีทิศเดียวกันกับการแผ่คลื่น
ถ้าแบ่งตามความต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดได้สองแบบคือ
1. คลื่นดล คลื่นมีการรบกวน่ระยะเวลาหนึ่งทำให้เกิดลูกคลื่นไม่กี่ลูก
2. คลื่นต่อเนี่อง คลื่นมีการรบกวนอยู่ตลอดเวลา
ถ้าคลื่นสองคลื่นมีแอมพลิจูดเท่ากันและความถี่เดียวกัน แต่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม จะมีบางจุดในตัวกลางที่อนุภาคมีแอมพลิจูดสูงสุด และมีบางจุดซึ่งอนุภาคตัวกลางมีการกระจัดต่ำสุด คลื่นรวมที่มีลักษณะดังกล่าว เรียกว่า คลื่นนิ่ง
















ปรากฏการณ์คลื่น
หลักการซ้อนทับ คือ เมื่อคลื่นดลตั้งแต่สองคลื่นมาพบกันแล้วเกิดการรวมกัน การกระจัดของคลื่นรวมมีค่าเท่ากับผลบวกของการกระจัดของแต่ละคลื่นที่มาพบกัน หลังจากที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านพ้นกันแล้ว แต่ละคลื่นยังคงมีรูปร่างและทิศเดิม ถือว่าเป็นการแทรกสอดก็ได้ซึ่งจะกล่าวในสมบัติของคลื่น
คลื่นนิ่งในเส้นเชือก




ถ้าเกิดคลื่นนิ่ง n วง ในเส้นเชือกยาว L กรณีถูกตึงทั้งสองข้าง




การสั้นพ้อง คือ ปรากฎการณ์ที่วัตถุสั้นด้วยคลื่นที่แอมพิจูดกว้างกว่าปกติ จากเกิดขึ้นได้เมื่อวัตถุถูกบังคับด้วยแรงภายนอกที่มีความถี่เท่ากับความถ่ีธรรมชาติของคลื่นนั้น เช่น กรณีการโล้ชิงช้า ถ้าต้องการโล้ชิงช้าให้แรงขึ้นต้องโล้ให้ถูกจังหวะพอดี คือความถี่ในการโล้ชิงช้าเท่ากับความถี่ธรรมชาติของมันซึ่งมีค่าคงที่เสมอ















สมบัติของคลื่น

 คุณสมบัติ พื้นฐานของ คลื่น ต่างๆ    สามารถ พิจารณา ได้    4   ประการ ซึ่งมี
               1.   การสะท้อนกลับ ( Reflection )
               2.    การหักเห (Refraction)
               3.    การแพร่กระจายคลื่น (Diffraction )
               4.    การแทรกสอดของคลื่น ( Interference )
 
รูปที่    1    แสดงคุณสมบัติพื้นฐานของคลื่น ( 4 ลักษณะ)
1. การสะท้อนของคลื่น
          การ สะท้อนของคลื่นหมายถึง   การเปลี่ยนทิศทางการเดินทางของคลื่นโดยทันทีทันใดเมื่อคลื่นนั้นเดินทาง ตกกระทบที่ผิวของตัวกลาง    นั่นคือ คลื่นกระดอนออกจากผิวสะท้อน ของตัวกลาง ในลักษณะเดียวกับแสงสะท้อนจากกระจกเงา      จากรูปที่    2    แสดงปรากฎการณ์ ของการสะท้อนของคลื่นวิทยุ   สังเกตได้ว่ามุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน 
 
 
รูปที่    2    การสะท้อนของคลื่นวิทยุ
          ลักษณะ การสะท้อนกลับของคลื่น    สามารถ แสดง ลำดับ การ ที่คลื่น ตกกระทบ พื้นผิว ของ ตัวกลาง และ สะท้อน จาก พื้นผิว ของ ตัวกลาง ได้ ดังภาพ
 

 2. การหักเหของคลื่น
          การหักเหของคลื่นวิทยุ เกิดขึ้นเมื่อคลื่นวิทยุเดินทางจากตัวกลางหนึ่ง ไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าไม่เหมือนกัน โดยที่มุมตกกระทบ ณ ตัวกลางที่สองไม่เป็นมุมฉาก พลังงานคลื่นส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับเข้าไปยังตัวกลางที่หนึ่ง โดยมีมุมตกเท่ากับมุมสะท้อน แต่ยังมีพลังงานคลื่นอีกส่วนหนึ่งเดินทางเข้าไปยังตัวกลางที่สอง การเดินทางเข้าไปยังตัวกลางที่สองนี้ จะไม่เป็นแนวเส้นตรงต่อไปจากแนวทางเดินในด้านตัวกลางแรก แต่จะหักเหออกไปมากน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวกลางทั้งสอง สาเหตุที่เกิดการหักเหของทางเดินของคลื่นวิทยุ เนื่องจาก ความเร็วของคลื่นวิทยุในตัวกลาง ที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าแตกต่างกันจะไม่เท่ากัน เช่น คลื่นวิทยุจะเดินทางในน้ำบริสุทธิ์จะช้ากว่าเดินทางในอากาศถึง 9 เท่า เป็นต้น 

 
 

 รูปที่    3    การหักหของคลื่นวิทยุ

          จาก รูปที่ 3 จะเห็นได้ว่าเมื่อหน้าคลื่น (wave front ) ตกกระทบพื้นผิวระหว่าง ตัวกลางทั้งสองนั้น ส่วนของคลื่นที่สัมผัสผิวน้ำ ก็จะเริ่มเดินทางเข้าไปในน้ำ ด้วยความเร็วช้าลง ในขณะที่หน้าคลื่นอีกส่วนหนึ่งยังคงอยู่ในอากาศ จะเดินทางเร็วกว่า    ตัวอย่างคลื่นที่ใช้ติดต่อสื่อสารที่อาศัยการหักเหของคลื่น คือ การสื่อสารในย่านความถี่สูง ( HF ) ซึ่งอาศัยเพดานไฟฟ้า IONOSPHERE เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางจากพื้นโลกผ่านเข้าไปยังเพดานไฟฟ้า ลำคลื่นจะค่อย ๆ หักเหไปเรื่อย ๆ จนในที่สุดคลื่นก็จะกลับออกมาจากเพดาน ไฟฟ้าและกลับมายัง พื้นโลกอีก
          ลักษณะการหักเหของคลื่น สามารถแสดงลำดับการที่คลื่นเคลื่อนที่ จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งเป็นลำดับๆ ได้ดังภาพ
 
 
3. การแพร่กระจายคลื่น
          การแพร่กระจายคลื่น มีชื่อเรียก ได้ต่างๆกัน ไป เช่น การ เลี้ยวเบน ของ คลื่น หรือ การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น เกิดขึ้น เมื่อ คลื่น เดินทาง ผ่าน มุม หรือ ขอบ ของ ตัวกลาง ทึบ ที่ คลื่น นั้น ไม่ สามารถ ผ่านได้ เช่น คลื่น วิทยุ ความถี่ สูงมาก เดินผ่าน ยอดเขา คลื่นนี้ มี คุณสมบัติ เดินทาง เป็น เส้นตรง ดังนั้น ถ้าเรา ลาก เส้นตรง จาก สายอากาศ ไปยัง ยอดเขา ส่วนที่ อยู่ หลัง ยอดเขา และ ต่ำกว่า เส้นนี้ ลงมา ไม่ ควร ที่จะ ได้รับ คลื่น ได้เลย แต่ บางส่วน ที่ อยู่ หลัง ยอดเขา สามารถ รับ คลื่นวิทยุ ย่าน ความถี่ สูง ได้ เนื่องจาก ความถี่สูง ขึ้น การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น ก็ยิ่ง ลดลง กล่าวคือ คลื่น จะ เดินทาง เป็น แนว เส้นตรง แต่ บางส่วน ของ คลื่น เกิดการ กระทบ กับ สลิตแคบๆ (ยอดเขา) ทำให้ คลื่น เกิดการ แตกกระจาย ออกไป โดยรอบ เสมือนกับ เป็น แหล่ง กำเนิด คลื่น ใหม่ นั่นเอง ดังรูป ที่ แสดง คลื่น ผ่าน ช่องสลิต ที่แคบ โดย มี หลักการ ดังที่ ได้ กล่าวไป ข้างต้น 
 
 รูปที่    4    การเบี่ยงเบนของคลื่นวิทยุ
จากรูปที่    4    แสดง คุณสมบัติ การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น วิทยุ เมื่อ เดินทาง ไป ยัง ตัวกลาง ที่ ทึบ และ เฉียด ขอบ ดังกล่าว   จะเห็นได้ว่า บริเวณ บางส่วน หลัง ตัวกลาง นั้น ที่ เป็น เขต เบี่ยงเบน ซึ่ง สามารถ ติดต่อ สื่อสาร ได้ และ บริเวณ บางส่วน ที่ จะ ติดต่อ สื่อสาร กัน ไม่ได้เลย เรียกว่า เขตเงา (SHADOW)
 
4. การแทรกสอดของคลื่น
          การแทรกสอด ของ คลื่น เรื่องนี้ เกี่ยวข้องกับ คุณสมบัติ ทาง optical ของ คลื่น แม่เหล็ก ไฟฟ้า    เรา พิจารณา เรื่อง Interference ต่อไป สิ่งนี้ เกิดขึ้น เมื่อ    2    คลื่น ที่ ออกจาก แหล่ง จ่าย อันเดียว และ เดินทาง มา ด้วย เส้นทาง ที่ ต่างกัน มาถึง จุด หนึ่ง พร้อมกัน สิ่งนี้ เกิดขึ้น บ่อยมาก ในการ เดินทาง ของ    High - frequency Sky - Wave propagation    และใน    Microwave space - wave propagation   ( กรณี ของ แบบนี้ จะ อธิบาย ใน หัวข้อนี้ ) มันเกิดขึ้น เมื่อ สายอากาศ ของ ไมโครเวฟ ถูก ตั้ง อยู ่ใกล้กับ พื้นดิน และ คลื่นที่ มา ถึง จุดรับ ไม่ใช่ เพียง จาก ทิศทางตรง แต่ เป็น คลื่นที่ หลังจาก สะท้อน จาก พื้นดิน ด้วย ดังแสดง ในรูปที่    5 
 
 
รูปที่    5    การ Interference ของ direct rays และ ground - reflected rays
           จากรูปที่    5    จะเห็นได้ว่า เส้นทางของคลื่นตรง ( Direct ray ) สั้นกว่า เส้นทาง จาก การ สะท้อน ( Reflected ray ) สำหรับ บางครั้ง การ รวมกัน ของ ความถี่ และ ความสูง ของ สายอากาศ เหนือ พื้นโลก ความ แตกต่าง ระหว่าง เส้นทาง    Direct    ray    1    กับ    Reflected    ray    1 เท่ากับ ประมาณ ครึ่ง ความยาวคลื่น สิ่งนี้ จะเป็น การหักล้าง อย่าง สมบูรณ์ ณ จุดรับ P ถ้า พื้นโลก เป็นตัวสะท้อนที่สมบูรณ์ และหักล้างกันบางส่วนสำหรับพื้นโลกที่ไม่สมบูรณ์ ส่วนจุดรับอื่น ๆ (P ) ด้วยเหตุที่เส้นทางแตกต่างระหว่าง Direct    ray    2    กับ   Reflected    ray    2    มีค่าเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่นพอดี ในกรณีนี้การเสริมกันของคลื่นที่รับได้จะเกิดขึ้น ณ จุดนี้ และจะเป็นเฉพาะบางส่วนหรือทั้งหมด ขึ้นอยู่กับความสามารถการสะท้อนของพื้นโลก การเกิดอย่างต่อเนื่องของจุดนี้มากกว่าหนึ่งอัน ที่จุดอื่น ๆ อาจพบได้อีก จะได้เป็น Interference Pattern ขึ้น ซึ่งประกอบด้วยจุดหักล้างกัน ( concellation ) และจุดเสริมกัน( Reinforcement ) สลับกัน Pattern ของรูปแบบดังกล่าวนี้ แสดงดังรูปที่ 6 
 
 
รูปที่    6    Radiation Pattern with interference
          กราฟ จากรูปที่    6    คือ จุดต่อกันของ Electric intensity ที่เท่า ๆ กัน pattern นี้เกิดขึ้นโดยสายอากาศ ณ จุดความสูงจากพื้นโลกประมาณ 1 ความยาวคลื่น ด้วยการสะท้อนจากพื้นโลก ( ถือว่าเป็นแผ่นระนาบและตัวนำที่สมบูรณ์ ) ทำให้เกิดการสอดแทรก    Pattern    ดังแสดง    อาจคำนวณหรือพล็อดได้จากการวัด Field - Strengh อย่างถูกต้อง "Flower petals" ( กลีบดอกไม้ ) ของ pattern นี้ เรียกว่า Lobes ซึ่งตรงจุดที่เสริมกัน ดังเช่นจุด    q    ของรูปที่ผ่านมา ขณะที่ Nulls ระหว่าง Lobes ตรงกับจุดที่ หักล้างกัน เช่นจุด    P    ของรูปที่    5
           การแทรกสอดแบบนี้ สามารถ อธิบาย ได้โดยการที่คลื่นผ่านช่องสลิตเล็กๆ 2 ช่องที่ใกล้เคียงกัน คลื่นที่ผ่านสลิตนี้จะทำให้เกิดแหล่งกำเนิดคลื่นขึ้นมาใหม่ จำนวน 2 แหล่งด้วยกัน   ดังนั้นจากหลักการพื้นฐานที่ทราบกันว่า คลื่นเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบๆแหล่งกำเนิด จึงทำให้คลื่นที่ผ่านสลิตแคบๆมีลักษณะเป็นวงกลมด้วย   เมื่อมีแหล่งกำเนิด 2 แหล่ง ที่ใกล้เคียงกันดังนั้นจึงทำให้เกิดการแทรกสอดของ คลื่นได้เช่นกัน   ดังแสดงตัวอย่างดังรูป
 
 แหล่งที่มา : http://std.kku.ac.th/5330702554/wave/index.html
                     : http://www.hs1an.org/index.php?option=com_content&task=view&id=531&Itemid=29

1 ความคิดเห็น:

  1. มีความพยายามในการจัดทำผลงานแต่มีข้อชี้แนะดังนี้
    1.ในแต่ละบทความควรมีเนื้อหาเป็นรื่อง ๆ นักเรียนสามารถเขียนหลายบทความได้ จะได้อ่านอย่างสบายตา
    2. เรื่องใดที่มีการคำนวณควรมีตัวอย่างการคำนวณด้วย
    3. เนื้อหาบางส่วนควรตัดออกบ้างไม่ควร copy มาทั้งหมด
    หวังว่าคงพยายามต่อไปนะ แก้ไขด้วย

    ตอบลบ