การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล

การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล การรบกวนคลื่นจะทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานจากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง
โดยการรบกวนนี้อาจมีตัวกลางหรือไม่ก็ได้ ในกรณีที่มีตัวกลางเมื่อแหล่งกำเนิดเกิดการสั่นก็จะถ่ายโอนพลังงานให้กับตัวกลางที่อยู่นิ่ง
โมเลกุลของตัวกลางจะมีการสั่นแล้วถ่ายโอนพลังงานให้กับโมเลกุลข้างเคียงจำนวนมากต่อเนื่องกันไป
ทำให้คลื่นเคลื่อนที่ออกไป
โดยโมเลกุลของตัวกลางจะสั่นกลับไปกลับมาซ้ำรอยเดิม
1 การสั่น การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายและคลื่น
การสั่น (Oscillation) คือการเคลื่อนที่เป็นจังหวะซ้ำๆกัน โดยมี คาบ (period)
หรือช่วงเวลาที่สั่นครบหนึ่งรอบเท่าเดิมเสมอ ตัวอย่างเช่น การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา การสั่นของสปริง
การสั่นของอนุภาคของตัวกลางที่มีคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน เป็นต้น
ตัวอย่างที่แสดงให้เห็นการสั่นอย่างง่ายที่สุดก็คือ การแกว่งของลูกตุ้ม
ลูกตุ้มอยู่ในสภาวะสมดุล ถ้าออกแรงดึงลูกตุ้มให้อยู่ในตำแหน่งที่เลยออกจากสภาวะสมดุล ตามรูป (ข)
แล้วปล่อย ลูกตุ้มจะแกว่งไปมา และผ่านตำแหน่งตามแสดงในรูป (ค) (ง) และ (จ)
แล้วกลับไปยังตำแหน่งในรูป (ข) ซึ่งถือได้ว่าแกว่งครบหนึ่งรอบพอดี ถ้านักเรียนสังเกตการเคลื่อนที่ของลูกตุ้ม
พบว่าจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางเดิมในทิศทางตรงข้ามกันกลับไปกลับมา และสิ่งสำคัญก็คือจะเคลื่อนท
ี่กลับมา ยังตำแหน่งเดิมในช่วงเวลาที่เท่าๆ กันด้วย เราจึงเรียกการเคลื่อนที่ในลักษณะเช่นนี้ได้อีกอย่างหนึ่งว่า
การเคลื่อนที่อย่างเป็นคาบ (periodic motion)
ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการสั่น : แอมพลิจูด คาบ ความถี่ เฟส
ปริมาณที่ควรรู้จักหลายปริมาณซึ่งเกี่ยวข้องกับการศึกษาการสั่น ดังนี้
คาบของการสั่น (T) หมายถึง ช่วงเวลาของการสั่นครบหนึ่งรอบ มีหน่วยเป็นวินาที
ความถี่ของการสั่น (f) หมายถึง จำนวนรอบของการสั่นที่มีในหนึ่งวินาที
จะเห็นว่าความถี่มีค่าเป็นสัดส่วนกลับของคาบ เขียนเป็นสูตรได้ดังนี้

f = 1/T หรือ T = 1/f
หน่วยของความถี่จึงเป็น วินาที-1 เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า เฮิรตซ์ (hertz : Hz)
การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล

แอมพลิจูด (A) หมายถึง ระยะทางที่อนุภาคเบี่ยงเบนจากตำแหน่งสมดุลมากที่สุด มีหน่วยเป็นเมตร
คาบ (หรือความถี่) และแอมพลิจูด เป็นปริมาณที่คงที่ไม่เปลี่ยนแปลง แต่ยังมีปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการสั่นหลายปริมาณที่ไม่คงตัว แต่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ตามสภาวะของอนุภาคในขณะนั้น ปริมาณดังกล่าวได้แก่ การกระจัด (displacement) และเฟส (phase)
การกระจัด (x) หมายถึง ระยะทางจากตำแหน่งของอนุภาคกับตำแหน่งสมดุล มีหน่วยเป็นเมตร
เช่นเดียวกับแอมพลิจูด เราต้องกำหนดเครื่องหมายของการกระจัดลงไปด้วย เพื่อทำให้ทราบว่า
ขณะนั้นตำแหน่งของอนุภาคอยู่ทางซ้ายมือหรือขวามือของตำแหน่งสมดุล ตัวอย่างเช่นรูป 5 อาจกำหนดว่า
ถ้าลูกตุ้มอยู่ทางขวามือของตำแหน่งสมดุล การกระจัดมีเครื่องหมายเป็นบวก
และถ้าลูกตุ้มอยู่ทางซ้ายมือของตำแหน่งสมดุล การกระจัดมีเครื่องหมายเป็นลบ
จากนิยามของการกระจัดข้างต้น ทำให้เราทราบว่า แอมพลิจูดก็คือการกระจัดที่มากที่สุดนั่นเอง กล่าวคือ

A = |xสูงสุด|

การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย (simple harmonic motion ; SHM) คือการเคลื่อนที่ของอนุภาคกลับไปกลับมาซ้ำทางเดิมรอบตำแหน่งสมดุล โดยมีคาบของการเคลื่อนที่ (T)
และแอมพลิจูด (A) คงตัวเสมอ ลักษณะการเคลื่อนที่แบบนี้ถือว่าเป็นการสั่นชนิดหนึ่ง
แรงที่กระทำต่ออนุภาคที่สั่นแบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายต้องมีทิศพุ่งเข้าสู่ตำแหน่งสมดุลตลอดเวลา และ
มีขนาดแปรผันตรงกับการกระจัด (x) ของอนุภาคจากตำแหน่งสมดุล กล่าวคือ

F = kx

และมีพลังงานศักย์ของการสั่น เมื่อ k เป็นค่าคงตัวของสปริงมีหน่วยเป็น นิวตันต่อเมตร (N/m)

ตัวอย่างของการเคลื่อนที่แบบนี้ที่เห็นชัดที่สุดคือ การสั่นของมวลซึ่งติดอยู่ที่ปลายของสปริง ในที่นี้ค่า k
ก็คือ ค่าคงตัวของสปริง (spring constant) นั่นเอง อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติจริง
การสั่นของมวลที่ติดอยู่กับปลายสปริงจะค่อยๆ ช้าลง จนกระทั่งหยุดนิ่ง สาเหตุที่เป็นเช่นนี้
เพราะมีความเสียดทานไปลดพลังงานของการสั่น วิธีแก้ปัญหานี้ก็คือ การเพิ่มพลังงานให้แก่มวล
ที่กำลังสั่นอยู่ให้มีการสั่นได้ตลอดไป ในบรรดาการสั่นทั้งหลาย
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายเป็นการเคลื่อนที่ชนิดที่สำคัญที่สุด เพราะเราสามารถอธิบาย
การเคลื่อนที่ชนิดนี้ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ได้ง่ายที่สุด
ที่มา http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/284/6/wave/energywave2.html

ข้อความนี้ถูกเขียนใน ฟิสิกส์ ม.5 คั่นหน้า ลิงก์ถาวร

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s