ธรรมชาติของคลื่นและชนิดของคลื่น

ธรรมชาติของคลื่น

คลื่น เกิดจากส่วนใดส่วนหนึ่ง หรืออนุภาคใดอนุภาคหนึ่งของตัวกลาง เกิดการเคลื่อนที่ไปจากแนวสมดุล เป็นผลทำให้อนุภาคนั้นเกิดการสั่นรอบแนวสมดุลนั้น เนื่องจากคุณสมบัติ ความยืดหยุ่นของตัวกลางจะทำให้ผลการสั่นถูกส่งไปยังอนุภาคต่อไป จะทำให้อนุภาคนั้นเกิดการสั่นในลักษณะเดียวกัน เราเรียกว่า “การเกิดคลื่น”

การเคลื่อนที่แบบคลื่น เป็นการถ่ายทอดพลังงานและโมเมนตัม จากแหล่งกำเนิดไปยังบริเวณโดยรอบในลักษณะของคลื่นโดยมวลของตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ตามไปด้วย ซึ่งลักษณะชองคลื่นที่ตำแหน่ง ๆ ใด ๆ จะขึ้นกับระยะเวลา

ตารางที่ 1 ตังอย่างคลื่นพร้อมทั้งแหล่งกำเนิด และการถ่ายทอดพลังงาน

จะเกิดคลื่นเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้จะต้องมีองค์ประกอบเงื่อนไขดังนี้คือ

1. มีแหล่งกำเนิดคลื่น

2. มีการสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดคลื่น

3. มีตัวกลางให้พลังงานคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน (ยกเว้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลาง)

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไป คลื่นจะพาพลังงานไปด้วย

การเคลื่อนที่ของคลื่นเหมือนและแตกต่างจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคอย่างไร

1. การเคลื่อนที่ของคลื่นและอนุภาคมีสิ่งที่เหมือนกัน คือ ขณะเคลื่อนที่ทั้งคลื่นและอนุภาคต่างพาพลังงานไปด้วย

2. การเคลื่อนที่ของคลื่นและอนุภาคมีสิ่งที่แตกต่างกันคือ

2.1 คลื่นแผ่กระจายทุกทิศทาง (เช่น คลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นแสง) แต่อนุภาคเคลื่อนที่ในทิศทางเดียว

2.2 คลื่นมีอัตราเร็วคงที่ แต่อนุภาคไม่จำเป็นต้องมีอัตราเร็วคงที่

2.3 อนุภาคที่เป็นตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ตามพลังงานคลื่น แต่อนุภาคที่เป็นตัวกลางเคลื่อนที่ไปตามพลังงานของอนุภาค

การจำแนกคลื่น

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. คลื่นกล (Mechanical Waves) หมายถึง คลื่นที่ต้องอาศัยตังกลางในการเคลื่อนที่  ถ้าไม่มีตัวกลาง คลื่นกลไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านไปยังที่อื่น ๆ ได้ (พลังงานกลไม่สามารถโอนผ่านไปยังที่อื่น ๆ ได้) คลื่นกลสามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางได้ทุกประเภทไม่ว่าตังกลางนั้นจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส  ตัวอย่างเช่น คลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นในเส้นเชือก คลื่นในสปริง เป็นต้น  ซึ่งคลื่นเหล่านี้สามารถถ่ายทอดพลังงานและโมเมนตัม  โดยอาศัยความยืดหยุ่นของตัวกลางสำหรับคลื่นชนิดนี้ อัตราเร็วในตัวกลางชนิดเดียวกันจะมีค่าเท่ากัน

2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Waves) หมายถึงคลื่นที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ นั่นคือ จะมีตัวกลางหรือไม่มีตัวกลาง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็สามารถเคลื่อนที่ผ่านได้ ตัวย่างเช่น คลื่นแสง รังสีอินฟาเรด รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์  รังสีไมโครเวฟ  รังสีแกมมา คลื่นวิทยุ  คลื่นโทรทัศน์

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการสั่นของตัวกลาง แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

1. คลื่นตามขวาง (Transverse Waves) หมายถึง เป็นคลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น คลื่นบนผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิด ดังนั้นคลื่นตามขวางอาจเป็นคลื่นกลหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้

2. คลื่นตามยาว (Longitudinal Waves) หมายถึงคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางเดียวกันกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ หรือคลื่นมีทิศการสั่นของตัวกลางอยู่ในแนวขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างเช่น คลื่นเสียง คลื่นใต้ผิวน้ำ คลื่นอัดขยายในสปริง ดังนั้นจะเห็นได้ว่าคลื่นตามยาวทุกชนิดจะเป็นคลื่นกลเสมอ แต่คลื่นกลไม่จำเป็นต้องเป็นคลื่นตามยาว

สรุป

1. คลื่นกลอาจเป็นคลื่นตามยาวหรือตามขวางก็ได้ คลื่นตามยาวต้องเป็นคลื่นกลเสมอ

2. คลื่นน้ำอาจเป็นคลื่นตามยาวหรือคลื่นตามขวางก็ได้ (คลื่นใต้ผิวน้ำเป็นคลื่นตามยาว ส่วนคลื่นบนผิวน้ำเป็นคลื่นตามขวาง)

3. คลื่นในสปริงอาจเป็นคลื่นตามยาวหรือคลื่นตามขวางก็ได้ (คลื่นอัดขยายในสปริงเป็นคลื่นตามยาว (ดึงสปริงให้ยืดแล้วปล่อยให้เคลื่อนที่กลับไปมา) ถ้าสะบัดสปริงคล้ายสะบัดเส้นเชือกจะเป็นคลื่นตามขวาง)

4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดจะเป็นคลื่นตามขวางเสมอ

5. เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปได้ 1 ลูกคลื่น พลังงานของคลื่นจะทำให้ตัวกลางสั่นกลับไปกลับมาได้ครบ 1 รอบพอดี

6. คลื่นเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ แต่ตัวกลางจะเคลื่อนที่กลับไปกลับมาแบบซิมเปิลฮาร์มอนิก (อัตราเร็วไม่คงที่)

ตัวอย่าง ข้อใดเป็นคลื่นกลทุกคลื่น

1. คลื่นความร้อน คลื่นวิทยุ คลื่นรังสีเอกซ์    2. คลื่นรังสีแกมมา คลื่นอุลตราโซนิก คลื่นแสงเลเซอร์

3. คลื่นเสียง คลื่นน้ำ คลื่นในเส้นเชือก         4. คลื่นเสียง  คลื่นแสง คลื่นในขดลวดสปริง

เฉลยข้อ 3

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการเกิดคลื่น

        1. คลื่นดล หมายถึง คลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่นเพียงครั้งเดียว หรือสองครั้ง ทำให้เกิดคลื่นเพียงหนึ่งหรือสองลูกคลื่นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น การโยนก้อนหินก้อนเดียวลงไปในน้ำ จะพบว่าคลื่นดลเพียงกลุ่มหนึ่งกระจายออกไปรอบ ๆ ไม่นานผิวน้ำจะนิ่ง การใช้นิ้วมือแตะผิวน้ำเพียงครั้งเดียวจะเกิดคลื่นแผ่กระจายออกไปสองถึงสามลูกคลื่น  คลื่นดลอาจมีลักษณะกรจายออกจากแหล่งกำเนิดเป็นแนวตรงหรือเป็นวงกลมก็ได้

        2. คลื่นเป็นช่วง หมายถึง คลื่นดลที่เกิดขึ้นเป็นช่วง ๆ โดยเว้นจังหวะ

        3. คลื่นต่อเนื่อง หมายถึง คลื่นดลที่เกิดขึ้นเป็นจังหวะต่อเนื่องกันไปเรื่อย ๆ ตัวอย่างเช่น คลื่นน้ำที่เกิดขึ้นในถาดคลื่นเนื่องจากการสั่นสะเทือนของมอเตอร์ (ความถี่ลื่น เท่ากับความถี่มอเตอร์ มอเตอร์หมุนเร็วความถี่มาก มอเตอร์หมุนช้า ความถี่น้อย)