ลักษณะคลื่นตามยาวความแตกต่างตัวอย่าง - กายภาพ - 2025

คลื่นตามยาวเป็นที่ประจักษ์ในหมายถึงวัสดุที่อนุภาคสั่นขนานไปกับทิศทางการเดินทางของคลื่น ดังที่จะเห็นในภาพต่อไปนี้ นี่คือลักษณะเด่นของมัน

คลื่นเสียงคลื่นบางชนิดที่เกิดขึ้นในขณะเกิดแผ่นดินไหวและคลื่นที่เกิดขึ้นในฤดูใบไม้ผลิเมื่อได้รับแรงกระตุ้นขนาดเล็กในทิศทางเดียวกันของแกนเป็นตัวอย่างที่ดีของคลื่นประเภทนี้

รูปที่ 1. เสียงเป็นคลื่นตามยาวที่ก่อให้เกิดการบีบอัดและการขยายตัวในอากาศอย่างต่อเนื่อง ที่มา: Wikimedia Commons Pluke

เสียงเกิดขึ้นเมื่อวัตถุ (เช่นส้อมเสียงของรูปเครื่องดนตรีหรือเพียงแค่สายเสียง) ถูกทำให้สั่นในสื่อที่สามารถส่งสัญญาณรบกวนผ่านการสั่นสะเทือนของโมเลกุลได้ อากาศเป็นสื่อที่เหมาะสม แต่ของเหลวและของแข็งก็เช่นกัน

การรบกวนจะปรับเปลี่ยนความดันและความหนาแน่นของตัวกลางซ้ำ ๆ ด้วยวิธีนี้คลื่นจะทำให้เกิดการบีบอัดและการขยาย (rarefactions) ในโมเลกุลของตัวกลางเนื่องจากพลังงานเคลื่อนที่ด้วยความเร็วหนึ่งv .

การเปลี่ยนแปลงของความดันเหล่านี้รับรู้ได้โดยหูผ่านการสั่นสะเทือนในแก้วหูซึ่งเครือข่ายเส้นประสาทมีหน้าที่เปลี่ยนเป็นกระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก เมื่อไปถึงสมองมันจะแปลความหมายเป็นเสียง

ในคลื่นตามยาวรูปแบบที่ทำซ้ำอย่างต่อเนื่องเรียกว่าวัฏจักรและระยะเวลาของมันคือช่วงเวลาของคลื่น นอกจากนี้ยังมีแอมพลิจูดซึ่งเป็นความเข้มสูงสุดและวัดตามขนาดที่นำมาอ้างอิงในกรณีของเสียงอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงของความดันในตัวกลาง

พารามิเตอร์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือความยาวคลื่น: ระยะห่างระหว่างการบีบอัดหรือการขยายต่อเนื่องสองครั้งดูรูปที่ 1 ในระบบสากลความยาวคลื่นวัดเป็นเมตร ในที่สุดก็มีความเร็ว (เมตร / วินาทีสำหรับระบบสากล) ซึ่งบ่งชี้ว่าพลังงานแพร่กระจายเร็วเพียงใด

คลื่นตามยาวปรากฏในคลื่นทะเลได้อย่างไร?

ในร่างกายสัตว์น้ำคลื่นเกิดจากหลายสาเหตุ (การเปลี่ยนแปลงความดันลมปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับดาวดวงอื่น) ด้วยวิธีนี้คลื่นทะเลสามารถแบ่งได้เป็น:

- คลื่นลม

- กระแสน้ำ

- สึนามิ

คำอธิบายของคลื่นเหล่านี้ค่อนข้างซับซ้อน โดยทั่วไปในน้ำลึกคลื่นจะเคลื่อนที่ไปตามแนวยาวทำให้เกิดการบีบอัดเป็นระยะและการขยายตัวกลางตามที่อธิบายไว้ในตอนต้น

อย่างไรก็ตามบนพื้นผิวของทะเลสิ่งต่าง ๆ มีความแตกต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากคลื่นผิวน้ำที่เรียกว่ามีอำนาจเหนือกว่าที่นั่นซึ่งรวมลักษณะของคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวาง ดังนั้นคลื่นที่เคลื่อนที่ในระดับความลึกของสภาพแวดล้อมทางน้ำจึงแตกต่างจากคลื่นที่เคลื่อนที่บนผิวน้ำอย่างมาก

ท่อนซุงที่ลอยอยู่บนผิวน้ำทะเลมีลักษณะการเคลื่อนที่แบบหมุนกลับหรือหมุนเบา ๆ อันที่จริงเมื่อคลื่นซัดเข้าฝั่งมันเป็นส่วนประกอบตามยาวของคลื่นที่ครอบงำและเมื่อท่อนซุงตอบสนองต่อการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำที่ล้อมรอบมันก็จะสังเกตเห็นว่าจะมาและไปที่ผิวน้ำด้วย

รูปที่ 2 คลื่นทะเลบนผิวน้ำเป็นคลื่นที่บางส่วนมีลักษณะเป็นคลื่นตามยาวและบางส่วนตามขวาง ที่มา: ที่มา: Vargklo ที่ en.wikipedia

ความสัมพันธ์ระหว่างความลึกและความยาวคลื่น

ปัจจัยที่กำหนดชนิดของคลื่นที่เกิดขึ้น ได้แก่ ความลึกของน้ำและความยาวคลื่นของคลื่นทะเล ถ้าความลึกของน้ำ ณ จุดหนึ่งเรียกว่า d และความยาวคลื่นคือλคลื่นจะเปลี่ยนจากแนวยาวไปเป็นผิวเผินเมื่อ:

บนพื้นผิวโมเลกุลของน้ำจะได้รับการเคลื่อนไหวแบบหมุนซึ่งจะสูญเสียไปเมื่อความลึกเพิ่มขึ้น แรงเสียดทานของมวลน้ำกับก้นทำให้วงโคจรเหล่านี้กลายเป็นวงรีดังแสดงในรูปที่ 2

บนชายหาดน้ำทะเลใกล้ชายฝั่งจะกระสับกระส่ายมากขึ้นเนื่องจากมีคลื่นซัดอนุภาคของน้ำจะช้าลงที่ด้านล่างและทำให้น้ำสะสมบนสันเขามากขึ้น ในทางกลับกันในน้ำลึกจะรับรู้ว่าคลื่นอ่อนลงอย่างไร

เมื่อ d >> λ / 2 เรามีคลื่นน้ำลึกหรือคลื่นสั้นวงโคจรวงกลมหรือวงรีมีขนาดลดลงและคลื่นตามยาวมีอำนาจเหนือกว่า และถ้า d << λ / 2 คลื่นมาจากผิวน้ำหรือคลื่นยาว

ความแตกต่างของคลื่นเฉือน

ทั้งคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวางจัดอยู่ในประเภทของคลื่นกลซึ่งต้องการสื่อวัสดุสำหรับการแพร่กระจาย

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทั้งสองถูกกล่าวถึงในตอนต้น: ในคลื่นตามขวางอนุภาคของตัวกลางจะเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นในขณะที่คลื่นตามยาวจะแกว่งไปในทิศทางเดียวกันตามด้วยการรบกวน แต่มีคุณสมบัติที่โดดเด่นกว่า:

ความแตกต่างเพิ่มเติมระหว่างคลื่นตามขวางและตามยาว

- ในคลื่นตามขวางยอดและหุบเขามีความโดดเด่นซึ่งในแนวยาวเทียบเท่ากับการบีบอัดและการขยายตัว

- ความแตกต่างอีกประการหนึ่งคือคลื่นตามยาวไม่ได้มีโพลาไรซ์เนื่องจากทิศทางของความเร็วของคลื่นนั้นเหมือนกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่กำลังสั่น

- คลื่นตามขวางสามารถแพร่กระจายในตัวกลางใด ๆ และแม้กระทั่งในสุญญากาศเช่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในทางกลับกันของเหลวภายในขาดความแข็งแกร่งอนุภาคไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากเลื่อนผ่านกันและกันและเคลื่อนที่ตามที่มีการรบกวนนั่นคือตามยาว

ด้วยเหตุนี้คลื่นที่เกิดขึ้นกลางมหาสมุทรและมวลในชั้นบรรยากาศจึงมีความยาวตามยาวเนื่องจากคลื่นตามขวางต้องการสื่อที่มีความแข็งแกร่งเพียงพอเพื่อให้ลักษณะการเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉาก

- คลื่นตามยาวทำให้เกิดการแปรผันของความดันและความหนาแน่นในตัวกลางที่มันแพร่กระจาย ในทางกลับกันคลื่นตามขวางจะไม่ส่งผลกระทบต่อตัวกลางด้วยวิธีนี้

ความคล้ายคลึงกันระหว่างคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวาง

พวกเขามีส่วนที่เหมือนกัน: คาบ, แอมพลิจูด, ความถี่, รอบ, เฟสและความเร็ว คลื่นทั้งหมดได้รับการสะท้อนการหักเหการเลี้ยวเบนการรบกวนและเอฟเฟกต์ Doppler และนำพาพลังงานผ่านตัวกลาง

แม้ว่ายอดเขาและหุบเขาจะมีลักษณะเฉพาะของคลื่นตามขวาง แต่การบีบอัดในคลื่นตามยาวนั้นคล้ายคลึงกับยอดเขาและการขยายตัวไปยังหุบเขาในลักษณะที่คลื่นทั้งสองยอมรับคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของคลื่นไซน์หรือคลื่นไซน์

ตัวอย่างของคลื่นตามยาว

คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวทั่วไปและเป็นคลื่นที่ได้รับการศึกษามากที่สุดเนื่องจากเป็นพื้นฐานของการสื่อสารและการแสดงออกทางดนตรีเหตุผลที่มีความสำคัญในชีวิตของผู้คน นอกจากนี้คลื่นเสียงยังมีการใช้งานที่สำคัญในทางการแพทย์ทั้งในการวินิจฉัยและการรักษา

เทคนิคอัลตร้าซาวด์เป็นที่รู้จักกันดีในการได้รับภาพทางการแพทย์เช่นเดียวกับการรักษานิ่วในไตและการใช้งานอื่น ๆ อัลตร้าซาวด์ถูกสร้างขึ้นโดยคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่สามารถสร้างคลื่นความดันตามยาวเมื่อสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับมัน (มันยังสร้างกระแสเมื่อใช้แรงดันกับมัน)

หากต้องการดูว่าคลื่นตามยาวมีลักษณะอย่างไรไม่มีอะไรดีไปกว่าคอยล์สปริงหรือสลิงค์ ด้วยการให้แรงกระตุ้นเล็กน้อยกับสปริงทำให้สามารถสังเกตได้ทันทีว่าการบีบอัดและการขยายนั้นแพร่กระจายสลับกันไปอย่างไรตลอดทั้งรอบ

- คลื่นไหวสะเทือน

คลื่นตามยาวยังเป็นส่วนหนึ่งของการเคลื่อนไหวของแผ่นดินไหว แผ่นดินไหวประกอบด้วยคลื่นหลายชนิด ได้แก่ P หรือคลื่นปฐมภูมิและ S หรือคลื่นทุติยภูมิ อดีตเป็นแนวยาวในขณะที่อนุภาคขนาดกลางจะสั่นในทิศทางตามขวางกับการกระจัดของคลื่น

ในการเกิดแผ่นดินไหวจะเกิดทั้งคลื่นตามยาว (คลื่น P หลัก) และคลื่นตามขวาง (คลื่น S ทุติยภูมิ) และประเภทอื่น ๆ เช่นคลื่นเรย์ลีที่ผิวน้ำและคลื่นความรัก

ในความเป็นจริงคลื่นตามยาวเป็นคลื่นเดียวที่รู้ว่าเดินทางผ่านใจกลางโลก เนื่องจากพวกมันเคลื่อนที่ในของเหลวหรือก๊าซเท่านั้นนักวิทยาศาสตร์จึงคิดว่าแกนโลกประกอบด้วยเหล็กหลอมเหลวเป็นหลัก

- แบบฝึกหัดการสมัคร

คลื่น P และคลื่น S ที่เกิดขึ้นระหว่างการเดินทางของแผ่นดินไหวด้วยความเร็วที่ต่างกันบนโลกดังนั้นเวลาที่มาถึงที่สถานีแผ่นดินไหวจึงแตกต่างกัน (ดูรูปที่ 3) ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดระยะทางไปยังจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวโดยการระบุตำแหน่งโดยใช้ข้อมูลจากสามสถานีขึ้นไป

รูปที่ 3 คลื่นแผ่นดินไหว P และ S มาถึงเครื่องวัดแผ่นดินไหวในเวลาที่ต่างกันเนื่องจากความเร็วต่างกัน ที่มา: Wikimedia Commons

สมมติว่า v _P = 8 km / s คือความเร็วของคลื่น P ในขณะที่ความเร็วของคลื่น S คือ v _S = 5 km / s คลื่น P มาถึงก่อนคลื่น S แรก 2 นาทีจะคำนวณระยะทางจากศูนย์กลางอย่างไร?

ตอบ

ให้ D เป็นระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางและสถานีแผ่นดินไหว ด้วยข้อมูลที่ให้มาจะพบเวลาเดินทาง t _Pและ t _Sของแต่ละคลื่น:

v _P = D / t _P

v _S = D / t _S

ความแตกต่างคือΔt = t _S - t _P :

Δt = D / v _S - D / v _P = D (1 / v _S - 1 / v _P )

การแก้ค่า D:

D = Δt / (1 / v _S - 1 / v _P ) = (Δt. V _P. V _C ) / (v _P - v _C )

รู้ว่า 2 นาที = 120 วินาทีและแทนที่ค่าที่เหลือ:

D = 120 วินาที (8 กม. / วินาที 5 กม. / วินาที) / (8 - 5 กม. / วินาที) = 1600 กม.

อ้างอิง

1. ความแตกต่างระหว่างคลื่นตามขวางและคลื่นตามยาว ดึงมาจาก: physabout.com.
2. Figueroa, D. 2548. คลื่นและฟิสิกส์ควอนตัม. ชุดฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 7. แก้ไขโดย Douglas Figueroa มหาวิทยาลัยไซมอนโบลิวาร์ 1-58.
3. อินฟราซาวด์และอัลตร้าซาวด์ กู้คืนจาก: lpi.tel.uva.es
4. Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน 263-286
5. Russell, D. การเคลื่อนที่ของคลื่นตามยาวและตามขวาง ดึงมาจาก: acs.psu.edu.
6. คลื่นน้ำ ดึงมาจาก: labman.phys.utk.edu.