เงื่อนไขในการเกิดคลื่น

Posted By Plookpedia | 30 มิ.ย. 60
793 Views

  Favorite

เงื่อนไขในการเกิดคลื่น 

      เงื่อนไขที่สำคัญของการเกิดคลื่น ได้แก่ ข้อที่หนึ่งคลื่นเกิดขึ้นเมื่อมีการรบกวนกระทำต่อบริเวณใดบริเวณหนึ่ง การรบกวนดังกล่าว คือ การกระตุ้นด้วยแรงต่อวัตถุหรือมวลซึ่งทำให้เกิดมีการขจัดผ่านตำแหน่งหยุดนิ่งไปมา ข้อที่สองการรบกวนเดินไปด้วยอัตราเร็วที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวกลางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในระยะเวลาอันจำกัด ข้อที่สามคลื่นต้องอาศัยตัวกลางในการเผยแผ่ออกไปตัวกลางอาจเป็นของแข็งหรือของไหลก็ได้
      ก่อนเกิดคลื่น สภาพของตัวกลางอาจอยู่นิ่ง ๆ หรืออยู่ในสภาพไม่สมดุล เช่น การกระจายของคลื่นน้ำเมื่อโยนก้อนหินลงในสระที่ราบเรียบก็เป็นการรบกวนที่เกิดเป็นคลื่น  ตรงกันข้ามกับคลื่นในมหาสมุทรซึ่งสภาพก่อนเกิดคลื่นพื้นน้ำมีการกระเพื่อมอยู่แล้วหรือการกระจายคลื่นเสียงในอากาศก็เป็นตัวอย่างคล้ายคลื่นในมหาสมุทร  กล่าวคืออนุภาคอากาศเคลื่อนที่สับสนอยู่แล้วบางครั้งยังมีลมพัดหรือมีอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องอีกด้วยซึ่งทั้งนี้ก็เป็นสถานะก่อนเกิดคลื่นเสียง  ในการยิงปืนก๊าซที่ดันออกมาจากปากกระบอกปืนทำความรบกวนต่ออากาศเกิดคลื่นเสียงกระจายออกไปซ้อนกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคอากาศซึ่งมีอยู่แล้วในทิศทางต่าง ๆ กัน  ในตัวอย่างการโยนก้อนหินลงไปในลำธาร น้ำไหล ระลอกน้ำที่เกิดขึ้นเดินทางไปได้ทั้งทวนน้ำและตามน้ำเช่นเดียวกับการยิงปืนในที่ที่มีลมแรง คลื่นเสียงก็ยังทวนลมและตามลมได้ การเคลื่อนที่ของตัวกลางไม่ใช่สิ่งจำเป็นสำหรับการเกิดคลื่นแต่อาจมีผลต่ออัตราเร็วของการกระจายคลื่น 
      อัตราเร็วที่คลื่นกระจายออกไป เช่น การรบกวนที่เกิดกับอนุภาคของอากาศขึ้นอยู่กับลักษณะทางกายภาพของตัวกลางที่คลื่นผ่าน  อัตราเร็วของคลื่นเสียงในอากาศมีค่าน้อยกว่าอัตราเร็วของคลื่นเสียงในน้ำ  ส่วนอัตราเร็วของคลื่นเสียงในแท่งเหล็กมีค่ามากกว่าในตัวกลางทั้งสองข้างต้นขดลวดสปริงและแผ่นยางยืดที่อยู่เฉย ๆ ถือว่ายังไม่เกิดคลื่นเพราะไม่มีการเคลื่อนไหวใด ๆ ต้องใช้แรงกระทำให้เกิดการสั่น ณ จุดใดจุดหนึ่งจึงจะเกิดคลื่นเดินออกไป คลื่นส่วนมากต้องการตัวกลางยืดหยุ่นสำหรับการเคลื่อนที่สมบัติทางกายภาพที่สนับสนุนการเคลื่อนที่แบบคลื่น ได้แก่ ความยืดหยุ่น และความเฉื่อย  

      ความยืดหยุ่นเป็นสมบัติของตัวกลางที่จะสร้างแรงคืนตัวให้กับอนุภาคที่ถูกขจัดออกไปกลับคืนสู่ตำแหน่งสมดุลของมัน   ส่วนความเฉื่อยนั้นสัมพันธ์กับมวลของตัวกลางในสองลักษณะที่สำคัญ ข้อแรก คือ อนุภาคของตัวกลางซึ่งมีมวลจะต่อต้านการเปลี่ยนสภาพ (ปกติ) และทิศทางการเคลื่อนที่ของมันเพราะมีแรงกระทำ  ข้อที่สอง คือ ความสามารถที่อนุภาคส่งถ่ายโมเมนตัมและพลังงาน ให้กับอนุภาคมวลตัวอื่น  ความเฉื่อยและความยืดหยุ่นมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรจึงเกิดเป็นคลื่นส่งกระจายออกมาเริ่มด้วยเมื่อมีการรบกวนเกิดขึ้นและส่งโมเมนตัมให้กับอนุภาคซึ่งมีมวล  จากนั้นการเคลื่อนที่จากตำแหน่งสมดุลก็จะเกิดขึ้นด้วยอัตราเร็วค่าหนึ่งซึ่งแล้วแต่ว่าจะเป็นตัวกลางชนิดใด เนื่องจากอนุภาคมีความเฉื่อยมันจึงยังคงเคลื่อนที่ต่อไปในทิศเดิมด้วยความเร็วเดิมจนกระทั่งไปกระทบ อนุภาคอีกตัวหนึ่งซึ่งถ้าคิดว่าการชนเป็นแบบยืดหยุ่นโมเมนตัมของอนุภาคตัวแรกจะถูกถ่ายทอดให้กับอนุภาคตัวที่สองทำให้อนุภาคแรกหยุด  อนุภาคที่สองจะวิ่งต่อไปในทิศเดิมเหมือนอนุภาคแรก ด้วยอัตราเร็วเท่าเดิมตามธรรมชาติของความยืดหยุ่น (ทั้งนี้โดยสมมติว่ามวลของอนุภาค ทั้งสองมีค่าเท่ากัน) อนุภาคแรกกระทำตัวคล้ายกับเป็นระบบของมวลและสปริงที่ถูกกระทบให้เริ่มมีการ กระจัด  ดังนั้นหลังจากอนุภาคแรกหยุดนิ่งอาการสปริงของตัวกลางจะออกแรงทำให้มันถอยกลับผ่านตำแหน่งสมดุล  ส่วนอนุภาคที่สองเคลื่อนที่ต่อไปจนชนอนุภาคที่สามและสี่ไปเรื่อย ๆ หลังจากชนแล้วอนุภาคตัวที่ชนจะสั่นไปมาผ่านตำแหน่งสมดุลเหมือนอนุภาคแรกและเกิดเป็นแบบลูกโซ่ต่อกันไป  การกระจายคลื่นเกิดขึ้นโดยไม่มีการย้ายที่ของอนุภาคใด ๆ ไปมากนักเป็นแต่เพียงการสั่นไปมาผ่านตำแหน่งสมดุลของมันเท่านั้น
      คลื่นเสียงในอากาศเป็นคลื่นตามยาว กล่าวคืออนุภาคของอากาศที่กระจายคลื่นจะสั่นในทิศทางที่คลื่นเคลื่อนไป  ต่างไปจากคลื่นแสง คลื่นความร้อน คลื่นวิทยุ หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ ที่กระจายออกสู่อากาศตรงที่คลื่นเหล่านี้เป็นคลื่นตามขวางเพราะสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในคลื่นสั่นในทิศตั้งฉากกับทิศของคลื่นเอง  ในภาพการเคลื่อนที่ของลูกสูบเมื่อเราผลักดันลูกสูบในท่อไปข้างหน้าจะเกิดส่วนอัดซึ่งจะอัดแนวชั้นของอากาศที่อยู่ข้างหน้าติดต่อกันไป  เมื่อดึงลูกสูบกลับอากาศหน้าลูกสูบขยายตัวลดความดันและความหนาแน่นต่ำกว่าค่าสมดุล (แทนด้วยบริเวณสีจาง) ค่าสมดุลในบรรยากาศทั่ว ๆ ไป คือ ความดันบรรยากาศซึ่งเทียบได้กับ ๑.๐๑๓ x ๑๐๕ ปาสกาล (หรือนิว ตันต่อตารางเมตร) คลื่นตามยาวเผยแผ่ไปในหลอดบรรจุอากาศ  แหล่งกำเนิดคลื่น ได้แก่ ลูกสูบที่ขยับไปมาซึ่งวางตัวอยู่ทางซ้ายบริเวณความดันสูงและต่ำแทนด้วยสีทึบและจางตามลำดับ  คลื่นตามยาว คือ คลื่นที่การสั่นของตัวกลางขนานกับทิศของคลื่นเมื่อคลื่นเสียงถูกส่งผ่านตัวกลางความดันที่จุดใด ๆ จะมีการเปลี่ยนแปลง  คือ สูงกว่าความดันปกติ (ความดันบรรยากาศ) ตรงบริเวณที่เป็นส่วนอัดและต่ำกว่าความดันปกติตรงบริเวณส่วนขยายการเปลี่ยนแปลงความดันทั้งสูงขึ้นและต่ำลงนี้ เรียกว่า ความดันเสียง เขียนได้เป็นกราฟแสดงการแปรค่าแบบไซน์

 

กราฟแสดงการแปรค่าแบบไซน์ของคลื่น
กราฟแสดงการแปรค่าแบบไซน์ของคลื่น

 

อัตราเร็วของคลื่นเสียงในก๊าซต่างชนิดกันมีค่าต่างกัน  แต่สำหรับก๊าซชนิดใดชนิดหนึ่งแล้วอัตราเร็วของเสียงจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกรณฑ์ที่สองของอุณหภูมิสัมบูรณ์ของก๊าซชนิดนั้น 

เว็บไซต์ทรูปลูกปัญญาดอทคอมเป็นเพียงผู้ให้บริการพื้นที่เผยแพร่ความรู้เพื่อประโยชน์ของสังคม ข้อความและรูปภาพที่ปรากฏในบทความเป็นการเผยแพร่โดยผู้ใช้งาน หากพบเห็นข้อความและรูปภาพที่ไม่เหมาะสมหรือละเมิดลิขสิทธิ์ กรุณาแจ้งผู้ดูแลระบบเพื่อดำเนินการต่อไป
  • Posted By
  • Plookpedia
  • 10 Followers
  • Follow