บทที่ 1 

คลื่นกล

     คลื่นกล  เป็นคลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่  สิ่งที่คลื่นนำไปด้วยพร้อมกับการเคลื่นที่คือพลังงาน  พลังงานเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างๆ  จะมีปริมาณต่างๆกันไปในแต่ละกรณี  เช่น  พลังงานของคลื่นในทะเลขณะที่พายุจะมีค่ามากกว่าพลังงานที่เกิดจากคลื่นเสียงที่เราตะโกนออกไป 

ชนิดของคลื่น

      เราสามารถแบ่งคลื่นออกเป็น 2 ชนิด เมื่อพิจารณาจากลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางขณะคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน คือ คลื่นตามยาว และคลื่นตามขวาง 

     คลื่นตามยาว เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างคลื่นตามยาว เช่น คลื่นในสปริง คลื่นเสียง เป็นต้น 

    คลื่นตามขวาง เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างคลื่นตามยาว เช่น คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น 

    เมื่อพิจารณาลักษณพของการทำให้เกิดคลื่น เราอาจแบ่งคลื่นออกเป็น คลื่นดล และคลื่นต่อเนื่อง โดยคลื่นที่เกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิดในช่วงเวลาสั้นๆ หรือการไปรบกวนแหล่งกำเนิดคลื่นเพียงครั้งเดียว เรียกคลื่นนี้ว่า คลื่นดล และถ้าแหล่งกำเนิดคลื่นสั่นต่อเนื่องหรือการรบกวนแหล่งกำเนิดคลื่นอย่างต่อเนื่องเรียกคลื่นต่อเนื่อง 

ส่วนประกอบของคลื่น

    เมื่อพิจารณาส่วนประกอบของคลื่น จะเห็นลักษณะทางกายภาพที่สำคัญของคลื่น 3 ประการ คือ ความยาวคลื่น ความถี่และอัตราเร็วของคลื่น นอกจากนี้คลื่นยังมีองค์ประกอบอื่น ๆ อีก ดังต่อไปนี้ 

ความยาวคลื่น หมายถึง ระยะที่น้อยที่สุดระหว่างจุด 2 จุดบนคลื่นที่มีลักษณะการเคลื่อนที่ เหมือนกันทุกประการ เราใช้สัญลักษณ์ λ แทนความยาวคลื่น มีหน่วยเป็น เมตร

ความถี่ของคลื่น หมายถึง จำนวนคลื่นที่ผ่านจุด ๆ หนึ่ง ในหนึ่งหน่วยเวลาหรือจำนวนรอบที่ แหล่งกำเนิดคลื่นหรือตัวกลางสั่นได้ในหนึ่งหน่วยเวลา ใช้สัญลักษณ์ f มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ (Hz)

คาบของคลื่น หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ 1 ความยาวคลื่น หรือเวลาที่แหล่งกำเนิดคลื่น หรือตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านครบ 1 รอบ ใช้สัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็นวินาที

แอมพลิจูด หมายถึง ขนาดของการกระจัดสูงสุดของอนุภาคของตัวกลางที่คลื่นผ่านจากตำแหน่ง สมดุลเดิม ใช้สัญลักษณ์ A มีหน่วยเป็น เมตร

อัตราเร็วคลื่น หมายถึง ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ใน 1 หน่วยเวลา ใช้สัญลักษณ์ v มีหน่วยเป็น เมตร/วินาที

เฟสของคลื่น

  เฟสของคลื่น เป็นการบอกตำแหน่งต่าง ๆ บนคลื่น โดยบอกเป็นมุมในหน่วยองศาหรือเรเดียน  ลักษณะของคลื่นสามารถนำมาเขียนในรูปของคลื่นรูปไซน์ได้ ดังนั้นตำแหน่งต่าง ๆ บนคลื่นรูปไซน์จึงระบุตำแหน่งเป็นมุมในหน่วยองศาหรือเรเดียนได้ ซึ่งมุม 1 เรเดียนเทียบได้เท่ากับ 57.3 องศา มุม 360 องศาเทียบได้เท่ากับ 2π เรเดียน 

สมบัติของคลื่น

    คลื่นมีสมบัติ 4 ประการได้แก่ การสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน และการแทรกสอด 

การสะท้อนของคลื่น

   คุณสมบัติประการหนึ่งของคลื่น คือ การสะท้อน ลักษณะการสะท้อนเป็นไปตามสภาพของคลื่น การสะท้อนเกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางแล้วเคลื่อนที่กลับมาในตัวกลางเดิมในการสะท้อนของคลื่น รังสีตกกระทบ เส้นปกติ และรังสีสะท้อน อยู่ในระนาบเดียวกัน โดย

                                     มุมตกกระทบ (θi ) = มุมสะท้อน (θr )

การหักเหของคลื่น

   เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่เปลี่ยนไปจากเดิม ความเร็ว และความยาวคลื่นจะเปลี่ยนไป มีผลทำให้ทิศการเคลื่อนที่เบนไปจากแนวเดิม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การหักเห”

การแทรกสอดของคลื่น

   เมื่อคลื่นต่อเนื่องจากแห่งกำเนิดคลื่นสองแหล่งเดินทางมาพบกันจะเกิดการซ้อนทับของคลื่นเรียก ปรากฏการณ์นี้ว่า การแทรกสอดของคลื่น เพื่อให้การพิจารณาง่ายขึ้น สมมติว่ามีคลื่นเพียง 2 ขบวนเข้ามาอยู่ในบริเวณเดียวกัน โดยคลื่นทั้งสองมีความถี่เท่ากัน และมีเฟสตรงกันหรือเฟสต่างกันคงที่ การทำให้คลื่นสองขบวนมีความถี่และเฟสเท่ากันทำได้โดยให้คลื่นทั้งสองเกิดจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์ (coherent source) การแทรกสอดของคลื่นที่เสริมกันจนมีแอมปลิจูดมากสุด เรียกว่า “ปฏิบัพ” (antinode) ถ้าคลื่นหักล้างกันจนมีแอมปลิจูดต่ำสุดหรือเป็น 0 เรียกว่า “บัพ” (node) 

การเลี้ยวเบนของคลื่น

   คลื่นมีลักษณะพิเศษประการหนึ่ง คือ ทุกจุดบนหน้าคลื่นถือให้เป็นต้นกำ เนิดคลื่นใหม่ได้ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “หลักของฮอยเกนส์” ถ้าคลื่นเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวาง คลื่นส่วนที่กระทบสิ่งกีดขวางจะสะท้อนกลับ ส่วนคลื่นที่ผ่านไปได้จะแผ่จากขอบของสิ่งกีดขวางไปจนถึงด้านหลังสิ่งกีดขวาง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การเลี้ยวเบน” คลื่นเลี้ยวเบนยังคงมีความยาวคลื่น ความถี่ และอัตราเร็วเท่าเดิม