บทนำ(พลังงาน) - บทที่1 คลื่นกล

บทนำ

พลังงาน หมายถึงความสามารถซึ่งมีอยู่ในตัวของสิ่งที่อาจให้แรงงานได้ หรือ เป็นกำลังงานที่ใช้ในช่วงเวลาหนึ่ง หรือระยะทางหนึ่ง มีค่าเป็น จูล หรือ Joule ในทางฟิสิกส์ พลังงานเป็นหนึ่งในคุณสมบัติเชิงปริมาณพื้นฐานที่อธิบายระบบทางกายภาพหรือสถานะของวัตถุ พลังงานสามารถเปลี่ยนรูป (แปลงรูป)ได้หลายรูปแบบที่แต่ละแบบอาจจะชัดเจนและสามารถวัดได้ในหลายรูปแบบที่แตกต่างกัน กฎของการอนุรักษ์พลังงานระบุว่า พลังงาน(ทั้งหมด)ของระบบสามารถเพิ่มหรือลดได้โดยการถ่ายโอนเข้าหรือออกจากระบบเท่านั้น พลังงานทั้งหมดของระบบใดๆสามารถคำนวณได้โดยการรวมกันอย่างง่ายๆ เมื่อมันประกอบด้วยชิ้นส่วนที่ไม่มีการปฏิสัมพันธ์ทั้งหลายหรือมีหลายรูปแบบของพลังงานที่แตกต่างกัน รูปแบบของพลังงานทั่วไปประกอบด้วยพลังงานจลน์ของวัตถุเคลื่อนที่, พลังงานที่แผ่รังสีออกมาโดยแสงและการแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ และประเภทต่างๆของพลังงานศักย์ เช่นแรงโน้มถ่วงและความยืดหยุ่น ประเภททั่วไปของการถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงพลังงานประกอบด้วยกระบวนการ เช่นการให้ความร้อนกับวัสดุ, การปฏิบัติงานทางกลไกบนวัตถุ, การสร้างหรือการใช้พลังงานไฟฟ้า และปฏิกิริยาทางเคมีจำนวนมาก

หน่วยของการวัดพลังงานมักจะถูกกำหนดโดยผ่านกระบวนการของการทำงาน งานที่ทำโดยสิ่งหนึ่งบนอีกสิ่งหนึ่งถูกกำหนดไว้ในฟิสิกส์ว่า เป็นแรง(หน่วย SI : นิวตัน)ที่ทำโดยสิ่งนั้นคูณด้วย ระยะทาง (หน่วย SI : เมตร) ของการเคลื่อนไหวเพื่อต่อสู้กับแรงที่กระทำโดยฝ่ายตรงข้าม ดังนั้น หน่วยพลังงานเป็นนิวตัน-เมตร หรือที่เรียกว่า จูล หน่วย SI ของกำลัง (พลังงานต่อหน่วยเวลา) เป็นวัตต์ หรือแค่ จูลต่อวินาที ดังนั้น จูลเท่ากับ วัตต์-วินาที หรือ 3600 จูลส์เท่ากับหนึ่งวัตต์-ชั่วโมง หน่วยพลังงาน CGS เป็น เอิร์ก, และหน่วยอิมพีเรียลและสหรัฐอเมริกาเป็น ฟุตปอนด์ หน่วยพลังงานอื่นๆ เช่น อิเล็กตรอนโวลต์, แคลอรี่อาหารหรือกิโลแคลอรีอุณหพลศาสตร์ (ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำในกระบวนการให้ความร้อน) และ บีทียู ถูกใช้ในพื้นที่เฉพาะของวิทยาศาสตร์และการพาณิชย์ และมีปัจจัยการแปลงหน่วยที่เกี่ยวข้องให้เป็น จูล

พลังงานศักย์เป็นพลังงานที่ถูกเก็บไว้โดยอาศัยอำนาจตามตำแหน่งของวัตถุในสนามพลังเช่นสนามแรงโน้มถ่วง, สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น การยกวัตถุที่ต้านกับแรงโน้มถ่วงทำงานบนวัตถุและเก็บรักษาพลังงานที่มีศักยภาพของแรงโน้มถ่วง ถ้ามันตก แรงโน้มถ่วงไม่ได้ทำงานบนวัตถุซึ่งแปลงพลังงานศักย์ให้เป็นพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว บางรูปแบบเฉพาะของพลังงานได้แก่พลังงานยืดหยุ่นเนื่องจากการยืดหรือการเปลี่ยนรูปของวัตถุของแข็ง, พลังงานเคมีเช่นที่ถูกปล่อยออกมาเมื่อเผาไหม้น้ำมันเชื้อเพลิงและพลังงานความร้อน, พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ขนาดเล็กๆของการเคลื่อนไหวที่ไม่มีทิศทางของอนุภาคทำให้เป็นเรื่องขึ้นมา

ไม่ใช่ทั้งหมดของพลังงานในระบบจะสามารถถูกเปลี่ยนหรือถูกโอนโดยกระบวนการของงาน; ปริมาณที่สามารถจะถูกปลี่ยนหรือถูกโอนเรียกว่าพลังงานที่มีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จะจำกัดปริมาณของพลังงานความร้อนที่สามารถถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงานรูปอื่น ๆ พลังงานรูปแบบเชิงกลและอื่นๆสามารถถูกเปลี่ยนในทิศทางอื่นๆให้เป็นพลังงานความร้อนโดยไม่มีข้อจำกัดดังกล่าว

วัตถุใดๆที่มีมวลเมื่อหยุดนิ่ง (จึงเรียกว่ามวลนิ่ง) มีพลังงานนิ่งที่สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ ของ Albert Einstein E = mc² การเป็นรูปแบบของพลังงานแบบหนึ่ง, พลังงานนิ่งสามารถถูกเปลี่ยนไปยังหรือจากรูปแบบอื่นๆของพลังงาน ในขณะที่ปริมาณทั้งหมดของพลังงานไม่เปลี่ยนแปลง จากมุมมองนี้ จำนวนของสสารในจักรวาลก่อให้เกิดการรวมของพลังงานทั้งหมด

ในทำนองเดียวกัน พลังงานทั้งหมดจะปรากฏเป็นจำนวนสัดส่วนของมวล ตัวอย่างเช่นการเพิ่ม 25 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (90 megajoules) ของรูปแบบใดๆของพลังงานให้กับวัตถุหนึ่งจะเพิ่มมวลของวัตถุนั้นอีก 1 ไมโครกรัม หากคุณมีเครื่องชั่งมวลที่ไวพอ การเพิ่มขึ้นของมวลนี้สามารถวัดได้ ดวงอาทิตย์ของเรา (หรือระเบิดนิวเคลียร์ )จะแปลงพลังงานศักย์นิวเคลียร์ไปเป็นรูปแบบอื่นของ พลังงาน มวลรวมของมันไม่ได้ลดลง เพราะมันยังคงมีพลังงานทั้งหมดเหมือนเดิม เพียงแต่อยู่ในรูปแบบอื่น แต่มวลของมันลดลงจริงเมื่อพลังงานหนีออกไปยังสภาพแวดล้อม ส่วนใหญ่เป็นพลังงานที่แผ่รังสี

รูปแบบใหม่ของพลังงานไม่สามารถกำหนดกฎเกณฑ์ตามใจได้ เพื่อที่จะให้ถูกต้อง มันจะต้องถูก แสดงให้เห็นว่าสามารถเปลี่ยนรูปไปยังหรือจากจำนวนที่คาดการณ์ได้ของพลังงานบางรูปแบบที่รู้จักกัน นี่จึงแสดงให้เห็นว่าปริมาณพลังงานจะมากแค่ไหนที่มันเป็นตัวแทนในหน่วยเดียวกันที่ใช้ ในรูปแบบอื่น มันจะต้องปฏิบัติตามการอนุรักษ์พลังงาน ดังนั้นมันจะต้องไม่ลดหรือเพิ่ม ยกเว้น ผ่านการเปลี่ยนแปลง(หรือถ่ายโอน)ดังกล่าว นอกจากนี้ ถ้ารูปแบบใหม่ของพลังงานที่ถูกกล่าวหาสามารถแสดงว่าจะไม่เปลี่ยนมวลของระบบในสัดส่วนกับพลังงานของมัน ดังนั้น มันไม่ได้เป็น รูปแบบของพลังงาน

สิ่งมีชีวิตต้องการพลังงานเพื่อยังคงมีชีวิตอยู่; มนุษย์ได้รับพลังงานดังกล่าวจากอาหารพร้อมกับ ออกซิเจนที่จำเป็นในการเผาผลาญอาหารนั้น อารยธรรมต้องการอุปทานของพลังงานในการ ทำงาน; แหล่งพลังงาน เช่นเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นหัวข้อสำคัญในด้านเศรษฐกิจและการเมือง สภาพภูมิอากาศและระบบนิเวศของโลกถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานแผ่รังสีที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์(เช่นเดียวกับพลังงานความร้อนใต้พิภพที่มีอยู่ในโลก) และมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงในปริมาณที่ได้รับ

ตัวอย่างของพลังงานได้แก่ พลังงานไฟฟ้า ในแบตเตอรี่ พลังงานเคมีในอาหาร พลังงานความร้อนของเครื่องทำน้ำร้อน หรือพลังงานศักย์ของน้ำที่อยู่เหนือเขื่อน

พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปจากรูปแบบหนึ่งไปสู่รูปแบบอื่นได้ โดยกฎการอนุรักษ์พลังงานระบุว่า ในระบบปิดนั้น พลังงานทั้งหมดที่ประกอบขึ้นจากพลังงานของส่วนย่อยๆ จะมีค่าคงที่เสมอ

พลังงานที่ว่านี้ไม่สามารถจะทำให้สูญสลายไปได้ เว้นแต่ว่าจะแปรเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของพลังงานในรูปแบบอื่น ยกตัวอย่างเช่น

• เปลี่ยนพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือน (โดยใช้โซลาร์เซลล์)
• เปลี่ยนพลังงานสะสมที่มีอยู่ในน้ำที่เก็บไว้ในเขื่อน (พลังงานศักย์) มาเป็นพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนไดนาโม (พลังงานจลน์) ของโรงไฟฟ้า

และยังมีพลังงานอีกหลายรูปแบบที่เราสามารถนำมาใช้ได้แต่ยังไม่ได้นำมาใช้หรือยังไม่ได้คิดค้นขึ้นมา เช่น พลังงานจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบฟิวชั่น เป็นต้น

• ความแตกต่างของพลังงาน(energy) และ กำลังงาน(power) มีดังนี้

พลังงาน (energy) คือความสามารถทำงานได้ในช่วงเวลาหนึ่ง หรือระยะทางหนึ่ง เช่นเราเปิดไฟแสงสว่าง 100 วัตต์ทิ้งไว้ 24 ชม หมายความว่า เราใช้พลังงานไป 100x24=2400 วัตต์-ชม หรือ 2.4 kWh หรือ 2.4 หน่วยไฟฟ้า คือต้องมีหน่วยบอกเวลาหรือระยะทางเสมอ

กำลังในการทำงาน (power) คืออัตราที่งานนั้นถูกทำหรือปริมาณกำลังงานที่สามารถทำได้ เช่นแบตเตอรีรถยนต์ขนาด 12V 500A แสดงว่ามีกำลัง 12x500=6000 วัตต์ หรือ 6 kW (ไม่บอกว่า สามารถทำงานได้นานเท่าไร)

รูปแบบของพลังงาน

พลังงานมีอยู่ในหลายรูปแบบ ได้แก่:

ในบริบทของวิทยาศาสตร์ทางกายภาพ พลังงานมีหลายรูปแบบที่ได้รับการระบุ เหล่านี้ประกอบด้วย:

• พลังงานจลน์ (มีหรือไม่มี, วัดเป็นปริมาณไม่ได้), ของการเคลื่อนไหวของร่างกาย
• พลังงานศักย์, ประเภทหนึ่ง ที่ประกอบไปด้วยหลายรูปแบบในรายการนี้
• พลังงานกลไก, ผลรวมของ (ปกติเล็กๆ) พลังงานจลน์และพลังงานศักย์
• พลังงานคลื่นกลไก (มีหรือไม่มี), รูปแบบของพลังงานกลที่ถูกแพร่กระจายโดยการแกว่งของวัสดุเช่นที่สร้างคลื่นพื้นผิวมหาสมุทรหรือที่สร้างเสียง
• พลังงานเคมี
• พลังงานไฟฟ้า
• พลังงานแม่เหล็ก
• พลังงานการแผ่รังสี (มีหรือไม่มี), ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารวมทั้งแสง
• พลังงานนิวเคลียร์, การพันธนาการของนิวคลีออนให้อยู่ในรูปของนิวเคลียสอะตอม
• พลังงานไอออนไนเซชั่น,การพันธนาการของหนึ่งอิเล็กตรอนกับอะตอมหรือโมเลกุลของมัน
• พลังงานยืดหยุ่น
• พลังงานแรงโน้มถ่วง
• พลังงานภายใน พลังงานนิ่ง(มีหรือไม่มี) เทียบเท่ากับมวลนิ่งของวัตถุ
• พลังงานความร้อน, เทียบเท่าขนาดเล็กของพลังงานกล

พลังงานอุณหภูมิเป็นพลังงานขององค์ประกอบโมเลกุลของสสาร ซึ่งอาจประกอบด้วยทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์

• พลังงานความร้อนเป็นเพียงแค่ปริมาณของพลังงานอุณหภูมิที่กำลังถูกถ่ายโอน (ในขั้นตอนที่กำหนด) ในทิศทางของอุณหภูมิที่ลดลง
• งานเครื่องกลเป็นเพียงปริมาณของพลังงาน(กล)ที่กำลังถูกโอน (ในขั้นตอนที่กำหนด) เนื่องจาก การเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงที่ถูกใส่เข้าไป

บางรายชื่อที่อยู่ในรายการข้างต้นเป็นตัวของมันเองหรือเป็นส่วนประกอบของรายชื่ออื่นๆ รายการไม่จำเป็นต้องสมบูรณ์ เมื่อใดก็ตามที่นักวิทยาศาสตร์ทางกายภาพพบว่า ปรากฏการณ์บางอย่าง ที่ดูเหมือนจะละเมิดกฎของการอนุรักษ์พลังงาน รูปแบบใหม่ของพลังงานโดยทั่วไปจะถูกเพิ่มเพื่ออธิบายความแตกต่าง

ความร้อนและงานเป็นกรณีพิเศษที่พวกมันจะไม่เป็นคุณสมบัติของระบบ แต่จะเป็นคุณสมบัติของกระบวนการถ่ายโอนพลังงานแทน โดยทั่วไปเราไม่สามารถวัดว่ามีความร้อนหรืองานเท่าไรที่ เกิดบนวัตถุนั้น รู้แต่เพียงมีพลังงานเท่าไรที่ถูกถ่ายโอนระหว่างวัตถุในรูปแบบบางอย่างในระหว่าง การเกิดขึ้นของกระบวนการที่กำหนดซะมากกว่า ความร้อนและงานจะถูกวัดว่าเป็นบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับเรามองการถ่ายโอนของพวกมันจากด้านไหน

กลศาสตร์คลาสสิกมีความแตกต่างระหว่างพลังงานจลน์(ที่จะถูกกำหนดโดยการเคลื่อนไหวของวัตถุผ่านพื้นที่) และพลังงานศักย์(ที่เป็นหน้าที่หนี่งของตำแหน่งของวัตถุภายในสนามแรงใดๆ) ซึ่งอาจจะเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงตัวของวัตถุหรืออนุภาคอื่น ๆ เหล่านี้ประกอบด้วยพลังงานแรงโน้มถ่วง (ซึ่งถูกเก็บไว้ในทางที่มวลทั้งหลายจะถูกจัดวางในสนามแรงโน้มถ่วง), หลายประเภทของพลังงานนิวเคลียร์ (ซึ่งใช้ประโยชน์จากศักยภาพของแรงนิวเคลียร์และแรงที่อ่อนแอ), พลังงานไฟฟ้า (จากสนามไฟฟ้า) และพลังงานแม่เหล็ก (จากสนามแม่เหล็ก)

พลังงานอื่นๆที่คุ้นเคยเป็นส่วนผสมที่เปลี่ยนแปรไปของทั้งพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ตัวอย่างหนึ่งคือพลังงานกล ซึ่งเป็นผลรวมของ(ปกติเล็กๆ) พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ใน ระบบหนึ่ง พลังงานยืดหยุ่นในวัสดุยังขึ้นอยู่กับพลังงานศักย์ไฟฟ้า (ในอะตอมและโมเลกุล) เหมือนเป็นพลังงานเคมี ซึ่งจะถูกเก็บไว้และถูกปล่อยออกมาจากอ่างเก็บที่มีพลังงานศักย์ไฟฟ้า ระหว่างอิเล็กตรอนด้วยกันและระหว่างโมเลกุลด้วยกันหรือระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่ดึงดูด พวกมัน

พลังงานศักย์มักจะถูกวัดเป็นบวกหรือลบขึ้นอยู่กับว่าพวกมันจะมีมากกว่าหรือน้อยกว่าพลังงาน ของสถาวะหรือคอนฟิกูเรชั่นพื้นฐานที่ระบุ เช่นสองร่างที่มีปฏิสัมพันธ์กันที่ถูกแยกห่างกันสิ้นเชิง

คลื่นพลังงาน(เช่นพลังงานแผ่รังสีหรือเสียง), พลังงานจลน์ และพลังงานนิ่ง แต่ละตัวจะมากกว่าหรือเท่ากับศูนย์ เพราะพวกมันจะถุกวัดเทียบกับสถาวะพื้นฐานของพลังงานที่ศูนย์ได้แก่ "ไม่มีคลื่น", "ไม่มีการเคลื่อนไหว" และ "ไม่มีแรงเฉื่อย" ตามลำดับ

มีความพยายามที่จะจัดหมวดหมู่ทุกรูปแบบของพลังงานว่าจะเป็นพลังงานจลน์หรือพลังงานศักย์ แต่ ริชาร์ด ไฟน์แมน ชี้ให้เห็น : "ความคิดเหล่านี้ของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ขึ้นอยู่กับความเชื่อในเรื่องของขนาดความยาว ตัวอย่างเช่น คนหนึ่งสามารถพูดถึงพลังศักย์และพลังงานจลน์เล็กๆซึ่ง ไม่รวมถึงพลังงานอุณหภูมิ นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่เรียกว่า พลังงานศักย์เคมีเป็นความคิดเล็กๆและการตรวจสอบที่ใกล้ชิด แสดงให้เห็นว่าจริงๆแล้วเป็นผลรวมของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ในระดับอะตอมและโมเลกุล คำพูดที่คล้ายกันนำไปใช้กับพลังงาน"ศักย์" นิวเคลียร์และพลังงานรูปแบบอื่นๆส่วนใหญ่ การพึ่งพาในระดับความยาวนี้เป็นสิ่งที่ไม่ใช่ปัญหา หากระยะความยาวต่างๆถูกปลดออกซึ่งมักเกิดขึ้นบ่อยๆ แต่ความสับสนสามารถเกิดขึ้นเมื่อเครื่องชั่งความยาวที่แตกต่างกันถูกจับคู่ ตัวอย่างเช่น เมื่อแรงเสียดทานแปลงงานเล็กๆให้เป็นพลังงานอุณหภูมิขนาดเล็กๆ"

นอกจากนี้ ความเร็วสัมพันธ์ ที่กำหนดพลังงานจลน์เป็นตัวปัญหาเพราะพลังงานที่เกิดจากการ เคลื่อนไหวของร่างกายไม่เพียงมีส่วนร่วมในการรวมพลังงานทั้งหมดเช่นเดียวกับที่มันทำที่ความเร็วคลาสสิก

พลังงานอาจจะถูกเปลี่ยนระหว่างรูปแบบที่แตกต่างกันที่ประสิทธิภาพต่างๆ รายการที่แปลง ระหว่างรูปแบบเหล่านี้จะถูกเรียกว่า transducers

คลื่นกล

คลื่นกล (Mechanical Wave)

คลื่นกล คือการถ่ายโอนพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง โดยการเคลือนที่ไปของคลื่นต้องมีโมเลกุลหรืออนุภาคตัวกลางเป็นตัวถ่ายโอนพลังงานจึงจะทำให้คลื่นแผ่ออกไปได้  ดังนั้นคลื่นกลจะเดินทางและส่งผ่านพลังงานโดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง เพราะตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่แต่จะสั่นไปมารอบจุดสมดุล  ต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง

คำว่าคลื่นตามคำจำกัดความ หมายถึง การรบกวน (disturbance) สภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ และการรบกวนนั้นจะเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งออกไปยังอีกจุดหนึ่งได้ตามเวลาที่ผ่านไป  ในบทนี้จะกล่าวถึงกฎเกณฑ์ต่างๆ ของคลื่นในทางฟิสิกส์

การแบ่งประเภทของคลื่น

1. คลื่นตามขวาง (transverse wave)   ลักษณะของอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก

คลื่นตามขวาง

2. คลื่นตามยาว (longitudinal wave)    ลักษณะอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น  เช่น คลื่นเสียง

คลื่นตามยาว

ส่วนประกอบของคลื่น

1.สันคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก จุด g

2.ท้องคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ จุด e
3.แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ วัดจากระดับปกติไปถึงสันคลื่นหรือไปถึงท้องคลื่น สัญลักษณ์ A
4.ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน หรือระยะระหว่าง 2 ตำแหน่งบนคลื่นที่ที่เฟสตรงกัน(inphase) ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ Lamda  มีหน่วยเป็นเมตร (m)  ระยะ xy
5.ความถี่ (frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz)  จาก cd   โดย f = 1/T
6.คาบ (period) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s/รอบ )  โดย  T = 1/f  
7.หน้าคลื่น(wave front)  เป็นแนวเส้นที่ลากผ่านตำแหน่งที่มีเฟสเดียวกันบนคลื่น เช่นลากแนวสันคลื่น หรือลากแนวท้องคลื่น ตามรูป

รูป หน้าคลื่นตรง

รูป หน้าคลื่นวงกลม

    

รูปแสดงหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับรังสีคลื่นเสมอ

อัตราเร็ว

อัตราเร็วในเรื่องคลื่น แบ่งได้ดังนี้

1. อัตราเร็วคลื่น หรือเรียกว่าอัตราเร็วเฟส   เป็นอัตราเร็วคลื่นที่เคลื่อนที่ไปแบบเชิงเส้น  ซึ่งอัตราเร็วคลื่นกลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน

สมการที่ใช้

2. อัตราเร็วของอนุภาคตัวกลาง   เป็นการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก  โดนสั่นซ้ำรอยเดิมรอบแนวสมดุล ไม่ว่าจะเป็นคลื่นกลชนิดตามขวางหรือตามยาว

สมการที่ใช้

1.อัตราเร็วที่สันคลื่นกับท้องคลื่น เป็นศูนย์

2.อัตราเร็วอนุภาคขณะผ่านแนวสมดุล มีอัตราเร็วมากที่สุด

3.อัตราเร็วอนุภาคขณะมีการกระจัด y ใดๆ จากแนวสมดุล



3. อัตราเร็วคลื่นในน้ำ  ขึ้นกับความลึกของน้ำ ถ้าให้น้ำลึก d   จะได้ความสัมพันธ์ 

4. อัตราเร็วคลื่นในเส้นเชือก  ขึ้นอยู่กับแรงตึงเชือก (T) และค่าคงตัวของเชือก (u) ซึ่งเป็นค่ามวลต่อความยาวเชือก   

การศึกษาวีดีโอ : 

1. วีดีโอเปรียบเทียบคลื่นตามขวาง กับคลื่นตามยาว



2. คลื่นผิวน้ำ

เรือกับคลื่นยักษ์กลางทะเล

การเกิดคลื่นและการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก

การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล  อนุภาคตัวกลางจะเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย ซ้ำรอยเดิมรอบจุดสมดุล ไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น  การเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางแบบนี้เราจะเขียนแทนการเคลื่อนที่ของคลื่นแบบรูปไซน์ ( sinusoidal wave ) ซึ่งเราสามารถหาค่าปริมาณต่างๆ ได้ ดังนี้

รูปแสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางขณะคลื่นเคลื่อนที่

ลักษณะการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย

1.เป็นการเคลื่อนที่แบบสั่นหรือแกว่งกลับไปกลับมาซ้ำรอยเดิมโดยมีการกระจัดสูงสุดจากแนวสมดุล 
(แอมพลิจูด) คงที่
2.เป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร่งและแรงแปรผันโดยตรงกับขนาดของการกระจัด แต่มีทิศทางตรงข้ามกันเสมอ (แรงและความเร่งมีทิศเข้าหาจุดสมดุล แต่การกระจัดมีทิศพุ่งออกจากจุดสมดุล)
3.ณ ตำแหน่งสมดุล x หรือ y = 0 , F = 0 , a = 0 แต่ v มีค่าสูงสุด
4.ณ ตำแหน่งปลาย x หรือ y , F , a มีค่ามากที่สุด แต่ v = 0
5.สมการการเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิก

คลื่นรูปไซน์ แสดงการกระจัด y  และเฟส

6. กรณีที่มุมเฟสเริ่มต้นไม่เป็นศูนย์ สมการความสัมพันธ์ของการกระจัด ความเร็ว และความเร่ง กับเวลาอาจเขียนได้ว่า
XXXXX1.  XXXXXและXXX
XXXXX2. XX และXXX
XXXXX3.  XและXXX
7. การเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิกของ สปริง และลูกตุ้มนาฬิกา

8. ลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่นขณะเวลาต่างๆ( เมื่อ period หรือ คาบ หมายถึงเวลาครบ 1 รอบ)

9. การบอกตำแหน่งบนคลื่นรูปไซน์ ด้วย เฟส (phase)  เป็นการบอกด้วยค่ามุมเป็นเรเดียน หรือองศา

การระบุเฟสด้วยมุมที่เป็นองศาและมุมเรเดียน

เฟสตรงกันบนคลื่น  จะห่างจากตำแหน่งแรก 1 Lamda , 2 Lamda , 3 Lamda , .....

เฟสตรงกันข้ามกันบนคลื่น  จะห่างจากตำแหน่งแรก  1/2  Lamda  , 3/2  Lamda  ,  5/2  Lamda , ....

ตัวอย่าง

การซ้อนทับกันของคลื่น


เมื่อคลื่น 2  ขบวนผ่านมาในบริเวณเดียวกัน มันจะรวมกัน  โดยอาศัยหลักการซ้อนทับของคลื่น ( Superposition principle)  การซ้อนทับกันมี 2 แบบ คือแบบเสริม และแบบหักล้าง

1. การซ้อนทับแบบเสริม   เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกัน เข้ามาซ้อนทับกัน  เช่น สันคลื่น+ สันคลื่น หรือท้องคลื่น+ท้องคลื่น  ผลการซ้อนทับทำให้แอมปลิจูดเพิ่มขึ้นมากที่สุด เท่ากับผลบวกของแอมปลิจูด คลื่นทั้งสอง


การซ้อนทับกันของคลื่น แบบเสริม

 2. การซ้อนทับแบบหักล้าง  เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกันข้าม เข้ามาซ้อนทับกัน  เช่น สันคลื่น+ ท้องคลื่น  ผลการซ้อนทับทำให้แอมปลิจูดลดลง เท่ากับผลต่างของแอมปลิจูด คลื่นทั้งสอง


 

การซ้อนทับกันของคลื่น แบบหักล้าง

ภาพเคลื่อนไหวการซ้อนทับกันของคลื่นแบบเสริม

 

ที่มาจาก : http://kruweerajit1.blogspot.com/