ปรากฏการณ์คลื่น

 การกระเพื่อมขึ้นลงของน้ำในสระ เสียงของเครื่องดนตรี การกระตุกเชือกขึ้นลงเมื่อเชือกขึงตึงในแนวราบ เหล่านี้เป็นตัวอย่างของปรากฏการณ์คลื่น  เช่น  รูปที่  1

         แสดงให้เห็นถึงคลื่นน้ำที่เกิดจากการทิ้งวัตถุให้ตกกระแทกผิวน้ำ เราจะเห็นการกระเพื่อมขึ้นลงของผิวน้ำแผ่กระจายออกไป

              คลื่นสามารถแบ่งเป็น 2 พวกใหญ่ๆ คือ

              ก.  คลื่นกล  เป็นคลื่นที่เกิดในตัวกลางยืดหยุ่น (ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ) โดยเกิดจากการใช้แรงกระตุ้น สามารถถ่ายโอนพลังงานกลได้  เช่น คลื่นน้ำ คลื่นเชือก คลื่นเสียง เป็นต้น เราสามารถพิจารณาคลื่นกลโดยดูการเคลื่อนที่ของตัวกลางซึ่งจะทำให้แบ่งคลื่นกลเป็น  2  ชนิดดังนี้

- คลื่นตามขวาง เป็นคลื่นที่ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นตั้งฉากกับการสั่นของตัวกลาง  ได้แก่  คลื่นเชือก  คลื่นน้ำ  เป็นต้น  ดังรูปที่ 2  ถ้าเราดึงเชือกแล้วกระตุกเชือกขึ้นลงในแนวดิ่ง  (แกน  Y) จะเกิดคลื่นเชือกเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็ว v จะเห็นว่ามวลของเชือกเล็ก ๆ เช่น  ตรงจุด  A  สั่นขึ้นลงในแกน  Y  ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น

- คลื่นตามยาว  เป็นคลื่นที่ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นอยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของตัวกลาง  ได้แก่  คลื่นในสปริง  คลื่นเสียง  เป็นต้น  ดังรูปที่  2  ถ้าเราอัดและยืดสปริงในแนวแกน  X  จะเกิดคลื่นในสปริง  ลักษณะเป็นช่วงอัดและขยายเคลื่อนที่ออกไปในสปริงด้วยความเร็ว v จุดหนึ่งบนสปริง  เช่นที่จุด  B  จะสั่นกลับไปกลับมาในแนวเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของคลื่น

              ข.  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  เป็นคลื่นที่เกิดจากการเหนี่ยนำของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสลับต่อเนื่องกันไปและเคลื่อนที่ไปโดยไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลาง  ด้วยอัตราเร็วสูงมากประมาณ  3´10⁸  เมตรต่อวินาที ได้แก่  คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ คลื่นโทรทัศน์ รังสีอินฟาเรด  แสง  รังสีอัลตราไวโอเลต  รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา  เป็นต้น  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจัดเป็นคลื่นตามขวางเพราะมันสามารถเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า  โพลาไรเซชัน  ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดได้เฉพาะกับคลื่นตามขวางเท่านั้น  คลื่นตามยาวไม่สามารถเกิดโพลาไรเซชัน

คลื่นน้ำเกิดจากการรบกวนแหล่งกำเนิดคลื่นที่เกิดขึ้นแผ่กระจายไปบนผิวน้ำ ส่วนประกอบของคลื่นได้แก่

       สันคลื่น(Crest) คือ ตำแหน่งสูงสุดของคลื่นมีกระจัดมากที่สุดในทางบวก และมีเฟสตรงกัน

       ท้องคลื่น(Crest) คือ ตำแหน่งสูงสุดของคลื่นมีกระจัดมากที่สุดในทางลบ และมีเฟสตรงกัน

       แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ
       ความยาวคลื่น (wave length ; ล) คือ ระยะห่างระหว่างสันคลื่นที่ติดกัน หรือระยะห่างระหว่างท้องคลื่นที่ติดกัน หรือ ระยะห่างระหว่างจุด 2 จุดที่มีเฟสตรงกัน และอยู่ใกล้กันมากที่สุด ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ ล มีหน่วยเป็นเมตร (m)
       หน้าคลื่น (wave surface) คือ เส้นต่อจุดที่มีเฟสตรงกันของสันคลื่น
       รังสี (ray) คือ แนวเส้นตรงที่ลากตั้งฉากกับหน้าคลื่นว่า รังสีของคลื่นจะแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นหน้าคลื่นจะเดินทางไปข้างหน้าด้วยความเร็วจำกัดค่าหนึ่ง
       คาบ (period) คือ ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s)
       ความถี่ (frequency) คือ จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s^-1) หรือ เฮิรตซ์ Hertz (Hz)

        อัตราเร็วคลื่น(Velocity, v) คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที ในช่วงหนึ่งคาบเวลาของการสั่นของแหล่งกำเนิด จะทำให้หน้าคลื่นเดินทางไปได้เป็นระยะทางค่าหนึ่งซึ่งเท่ากับ และความถี่คลื่น (f) จะเท่ากับความถี่ของการสั่นของแหล่งกำเนิดคลื่น
         เมื่อคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ขึ้นลงครบหนึ่งรอบ คลื่นผิวน้ำจะเคลื่อนที่ได้หนึ่งลูกหรือได้ระยะทางเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่น ถ้าคลื่นผิวน้ำมีความถี่ f ดังนั้นใน 1 วินาที คลื่นผิวน้ำจะเคลื่อนที่ได้ระยะทาง ซึ่งก็คือ อัตราเร็วคลื่น  ดังนั้น

ถ้าพิจารณาที่ผิวน้ำเมื่อเวลาผ่านไปครบหนึ่งคาบ ผิวน้ำจะเคลื่อนที่ขึ้นลงแนวดิ่งได้หนึ่งรอบ และ ถ้าคลื่นไม่มีการสูญเสียพลังงาน แอมพลิจูดของคลื่นจะมีค่าคงตัว จึงกล่าวได้ว่า ผิวน้ำมีการเคลื่อนที่แบบ ฮาร์มอนิกอย่างง่ายครบหนึ่งรอบพอดี โดย ณ เวลาหนึ่งผิวน้ำจะอยู่ที่ตำแหน่งหนึ่งของรอบ จึงเรียกว่า มีในเฟสหนึ่ง เฟสของคลื่น

การบอกมุมเฟส (Phase angle)

เฟส  :  คำที่ใช้กำหนดตำแหน่งของการเคลื่อนที่ที่มีลักษณะเป็นรอบบอกเป็นมุม  เช่น  ดังรูปที่  5  จุด  a,  b,  c,  d,  e  บนคลื่นมีเฟส  0°,  90°,  180°,  270°,  และ  360°  เป็นต้น

          เฟส  0°  :  จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น  0°  จะอยู่บนระดับปกติ  และจะเคลื่อนที่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป  เช่น  จุด  a  ในรูปที่  7

          เฟส  90°  :  จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น  90°  จะอยู่บนสันคลื่น  และจะเคลื่อนที่ลงเมื่อเวลาผ่านไป  เช่น  จุด  b  ในรูปที่  7

          เฟส  180°  :  จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น  180° จะอยู่บนระดับปกติ และจะเคลื่อนที่ลงเมื่อเวลาผ่านไป  เช่น  จุด  c  ในรูปที่  7

          เฟส  270°  :  จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น  270°  จะอยู่ที่ท้องคลื่น  และจะเคลื่อนที่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป  เช่น  จุด  d  ในรูปที่  7

          เฟส  360°  :  จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น  360°  จะเหมือน  เฟส  0°  เช่น  จุด e  ในรูปที่ 5

                    เฟสตรงกัน  :  จุดบนคลื่นคู่ใดที่มีเฟสตรงกัน จะต้อง

          -  การกระจัดของจุดคู่นั้นเท่ากัน

          -  เคลื่อนที่ทางเดียวกัน

          -  อยู่ห่างกันเป็นระยะ nl; n  =  1,  2,  3,…

เฟสตรงข้ามกัน  :  จุดบนคลื่นคู่ใหม่ที่มีเฟสตรงข้ามกัน จะต้อง

                   -  การกระจัดเท่ากันแต่เครื่องหมายตรงข้าม

                   -  เคลื่อนที่ตรงข้ามกัน

                    

          หน้าคลื่น :  แนวของสันคลื่นหรือห้องคลื่นซึ่งมีเฟสตรงกัน แนวหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับทิศฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสมอ

           การหาเฟสของจุดบนคลื่น 
           เป็นการบอกตำแหน่งของคลื่นหรือเฟสนั้น นิยมบอกด้วยค่าของมุมเป็นองศาหรือเทอมของ  เรเดียนก็ได้ โดย เรเดียน = 180 องศา ซึ่งจะใช้แกน y หรือ แกน x ก็ได้ แต่ที่นิยมกันเขานิยมใช้แกน x เป็นตัวบอกมุมเฟส ดังเช่น

สรุปเนื้อหา

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม : 

เว็บไซต์ฟิสิกส์น้ำปลีก