คลื่นคืออะไร
- คลื่น ก็คือการรบกวนที่ต่อเนื่องกันไปบนตัวกลาง
- การเคลื่อนที่ของคลื่นเป็นผลจากการรบกวนกันไปเรื่อยๆ ทำให้ตัวกลางสั่นอยู่กับที่
- การเคลื่อนที่ของคลื่นนำพลังงานไปด้วย
การแบ่งคลื่นตามประเภทตัวกลาง
- การรบกวนที่ต่อเนื่องกันโดยไม่ต้องใช้ตัวกลาง คลื่นประเภทนี้เรียกว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) ตัวอย่างเช่น แสง คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ เอ็กซเรย์ ฯลฯ
- การรบกวนที่ต่อเนื่องกันไปที่ต้องใช้ตัวกลาง คลื่นประเภทนี้เรียกว่า คลื่นกล (mechanics waves) ตัวอย่างเช่น เสียง คลื่นเส้นเชือก คลื่นไหวสะเทือน คลื่นผิวน้ำ ฯลฯ
การแบ่งคลื่นตามลักษณะการสั่นของตัวกลาง
- คลื่นตามขวาง (transverse wave) การรบกวนทำให้เกิดการสั่นขวางตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น
- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวางทั้งหมด (แต่ไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางสั่น รายละเอียดค่อยไปศึกษาในบทเรียนต่อๆไป) - คลื่นตามยาว (longitudinal wave) การรบกวนทำให้เกิดการสั่นไปตามแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง
การสั่นของตัวกลางมีรูปแบบอื่นๆ ที่นอกเหนือจาก 2 แบบที่กล่าวมาแล้วข้างต้นด้วย เป็นการสั่นที่ซับซ้อนกว่า เป็นการบิดตัวสลับไปมา ซึ่งเรามักเห็นได้จากสะพานแขวน หรือการเคลื่อนที่เป็นวงรอบของวัตถุทีลอยบนผิวน้ำทะเล เป็นต้น ซึ่งรูปแบบเหล่านี้จะไม่ได้ถูกกล่าวถึงมากนักในการเรียนคลื่นในเบื้องต้น
การแบ่งคลื่นตามรูปแบบการเคลื่อนที่
- คลื่นที่เคลื่อนที่ออกมาเป็นจังหวะ ที่ไม่ต่อเนื่อง คือ ขาดๆ หายๆ แบบนี้เรียกว่า คลื่นกล หรือบางทีก็ทับศัพท์ไปเลยว่า พัลส์ (pulse) เช่น มีการสะบัดเชือก กระแทกสปริง อย่างนี้เป็นต้น
- คลื่นที่เคลื่อนที่ออกมาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะมีผลทำให้ตัวกลางสั่นอย่างต่อเนื่อง ซ้ำๆ กันไประยะเวลาหนึ่ง เช่น เราเปิดสวิทช์ให้มอเตอร์ที่แกนหมุนไม่สมดุลบนคานที่วางบนผิวน้ำ เมื่อมอเตอร์หมุนก็จะทำให้ผิวน้ำสั่นอย่างต่อเนื่อง เป็นต้น
การมีแบ่งคลื่นแบบอื่นๆ อีก ตามรูปแบบที่ปรากฏบนตัวกลาง
- คลื่นนิ่ง (standard waves) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางมีพฤติกรรมซ้ำๆ ไม่เปลี่ยนแปลง เช่น บางตัวสั่นไปได้ไกลกว่าตัวอื่นๆ ก็จะเป็นเช่นนั้นตลอด ส่วนตัวที่ไม่สั่นเลย ก็ไม่สั่นเลย นิ่งอยู่กับที่ตลอด จนดูเหมือนคลื่นไม่ได้เคลื่อนที่
- คลื่นจร (traveling waves) คือ ดูแล้วเหมือนคลื่นมันเคลื่อนที่ผ่านบริเวณนั้น ลองดูภาพเปรียบเทียบกับคลื่นนิ่ง
องค์ประกอบคลื่น
- แอมพลิจูด (amplitude) ใช้ A เป็นสัญลักษณ์
แอมพลิจูดก็คือ ระยะที่อนุภาคตัวกลางเคลื่อนที่ไปได้ไกลที่สุด (เคลื่อนที่จะเคลืื่อนที่กลับ) เมื่อวัดจากตำแหน่งเดิมก่อนอนุภาคถูกรบกวน - ความยาวคลื่น (wavelength) ใช้ λ เป็นสัญลักษณ์
ความยาวคลื่น ระยะที่วัดจากสันคลื่นลูกคลื่นไปยังสันคลื่นอีกลูกหนึ่ง หรืออาจจะบอกว่าวัดจากตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งไปยังตำแหน่งที่สมนัยกันของคลื่นลูกถัดไปก็ได้ - คาบ (period) ใช้สัญลักษณ์ T
คาบ ก็คือ เวลาที่คลื่นเคลื่อนไปได้ระยะทาง λ หรือ อาจกล่าวอีกอย่างว่า คาบก็คือช่วงเวลาที่อนุภาคสั่นครบ 1 รอบ ก็ได้ - ความถี่ (frequency) ใช้สัญลักษณ์ f
ความถี่ ก็คือ จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนผ่านบริเวณหนึ่งในช่วงเวลา 1 วินาที หรืออาจกล่าวอีกอย่างโดยอ้างอิงกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางว่า คือจำนวนรอบของการสั่นของอนุภาคตัวกลางใน 1 วินาที
ความสัมพันธ์ของความถี่และคาบคือ คาบกับความถี่ เป็นส่วนกลับซึ่งกันและกัน - เฟส (phase) ใช้สัญลักษณ์ Φ
เฟสเป็นคำที่ใช้เรียกตำแหน่งของอนุภาคเมื่อมันสั่นไปยังตำแหน่งต่างๆ โดยตำแหน่งสมดุลก่อนที่วัตถุจะสั่น เฟสจะอยู่ตำแหน่งเป็น 0 เมื่อสั่นครบ 1 รอบ เฟสก็จะเปลี่ยนไป 2π radian (หรือ 360° )
ซึ่งจะว่าไปก็คล้ายๆ กับการเคลื่อนที่แบบวงกลมนั่นเอง เมื่อวัตถุอยู่ตำแหน่งต่างๆ ก็จะเป็นการกวาดมุมไปจากจุดเริ่มต้นเท่าใดนั่นเอง - อัตราเร็วของคลื่น สัญลักษณ์ที่ใช้ คือ ν
อัตราเร็วของคลื่น คือ อัตราเร็วของการส่งผ่านพลังงานแบบคลื่น ซึ่งเราหาได้จากความสัมพันธ์ ดังนี้
ν = λƒ หรือ ν = λ/T
