ลักษณะของคลื่นกลคุณสมบัติสูตรประเภท - กายภาพ - 2026

คลื่นกลเป็นความวุ่นวายที่ต้องการสื่อทางกายภาพในการเผยแพร่ ตัวอย่างที่ใกล้เคียงที่สุดคือเสียงซึ่งสามารถส่งผ่านก๊าซของเหลวหรือของแข็งได้

คลื่นกลอื่น ๆ ที่รู้จักกันดีคือคลื่นที่เกิดขึ้นเมื่อดึงสายเครื่องดนตรีที่ตึง หรือระลอกคลื่นวงกลมที่เกิดจากก้อนหินโยนลงไปในบ่อ

รูปที่ 1. สายตึงของเครื่องดนตรีสั่นด้วยคลื่นตามขวาง ที่มา: Pixabay

การรบกวนเดินทางผ่านตัวกลางที่ทำให้เกิดการกระจัดกระจายต่างๆในอนุภาคที่ประกอบขึ้นอยู่กับชนิดของคลื่น เมื่อคลื่นผ่านไปอนุภาคแต่ละตัวในตัวกลางจะทำการเคลื่อนที่ซ้ำ ๆ ซึ่งแยกมันออกจากตำแหน่งสมดุลในช่วงสั้น ๆ

ระยะเวลาของการรบกวนขึ้นอยู่กับพลังงานของมัน ในการเคลื่อนที่ของคลื่นพลังงานคือสิ่งที่แพร่กระจายจากด้านหนึ่งของตัวกลางไปยังอีกด้านหนึ่งเนื่องจากอนุภาคที่สั่นสะเทือนไม่เคยห่างไกลจากแหล่งกำเนิดมากเกินไป

คลื่นและพลังงานที่พัดพาสามารถเดินทางได้เป็นระยะทางไกล เมื่อคลื่นหายไปนั่นเป็นเพราะพลังงานของมันสลายไปตรงกลางทำให้ทุกอย่างสงบและเงียบเหมือนก่อนที่จะเกิดความวุ่นวาย

ประเภทของคลื่นกล

คลื่นกลแบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก:

- คลื่นตามขวาง

- คลื่นตามยาว

- คลื่นผิวน้ำ

คลื่นตามขวาง

ในคลื่นเฉือนอนุภาคจะเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจาย ตัวอย่างเช่นอนุภาคของสตริงในรูปต่อไปนี้จะแกว่งในแนวตั้งขณะที่คลื่นเคลื่อนที่จากซ้ายไปขวา:

รูปที่ 2. คลื่นตามขวางในสตริง ทิศทางของการแพร่กระจายคลื่นและทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแต่ละอนุภาคตั้งฉากกัน ที่มา: Sharon Bewick

คลื่นตามยาว

ในคลื่นตามยาวทิศทางของการแพร่กระจายและทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะขนานกัน

รูปที่ 3. คลื่นตามยาว ที่มา: พลพล

คลื่นผิวน้ำ

ในคลื่นทะเลคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวางจะรวมกันบนพื้นผิวด้วยเหตุนี้จึงเป็นคลื่นผิวน้ำเดินทางบนพรมแดนระหว่างสื่อสองชนิด: น้ำและอากาศดังแสดงในรูปต่อไปนี้

รูปที่ 4. คลื่นทะเลที่รวมคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวาง ที่มา: แก้ไขจาก Pixabay

เมื่อคลื่นซัดเข้าฝั่งส่วนประกอบตามยาวจะมีอิทธิพลเหนือกว่า ดังนั้นจึงสังเกตได้ว่าสาหร่ายที่อยู่ใกล้ฝั่งจะมีการเคลื่อนไหวไปมา

ตัวอย่างคลื่นประเภทต่างๆ: การเคลื่อนที่ของแผ่นดินไหว

ในช่วงที่เกิดแผ่นดินไหวคลื่นประเภทต่างๆถูกผลิตขึ้นซึ่งเดินทางไปทั่วโลกรวมทั้งคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวาง

คลื่นแผ่นดินไหวตามยาวเรียกว่าคลื่น P ในขณะที่คลื่นตามขวางคือคลื่น S

การกำหนด P เกิดจากความจริงที่ว่าพวกมันเป็นคลื่นความดันและยังเป็นคลื่นหลักเมื่อมาถึงก่อนในขณะที่คลื่นตามขวางคือ S สำหรับ "เฉือน" หรือเฉือนและยังเป็นรองเนื่องจากพวกมันมาถึงหลัง P

ลักษณะและคุณสมบัติ

คลื่นสีเหลืองในรูปที่ 2 เป็นคลื่นเป็นระยะซึ่งประกอบด้วยการรบกวนที่เหมือนกันซึ่งเคลื่อนที่จากซ้ายไปขวา โปรดสังเกตว่าทั้ง a และ b มีค่าเท่ากันในแต่ละพื้นที่ของคลื่น

การรบกวนของคลื่นเป็นระยะจะเกิดขึ้นซ้ำ ๆ ทั้งในเวลาและในอวกาศโดยใช้รูปแบบของเส้นโค้งรูปไซน์ที่มีลักษณะเป็นยอดหรือยอดซึ่งเป็นจุดสูงสุดและหุบเขาที่มีจุดต่ำสุด

ตัวอย่างนี้จะใช้เพื่อศึกษาลักษณะที่สำคัญที่สุดของคลื่นกล

ความกว้างของคลื่นและความยาวคลื่น

สมมติว่าคลื่นในรูปที่ 2 หมายถึงสตริงสั่นเส้นสีดำทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิงและแบ่งเส้นคลื่นออกเป็นสองส่วนสมมาตร เส้นนี้จะตรงกับตำแหน่งที่เชือกอยู่นิ่ง

ค่าของ a เรียกว่าแอมพลิจูดของคลื่นและโดยปกติจะแสดงด้วยตัวอักษร A สำหรับส่วนของมันระยะห่างระหว่างสองหุบเขาหรือสองยอดที่ต่อเนื่องกันคือความยาวคลื่น l และสอดคล้องกับขนาดที่เรียกว่า b ในรูปที่ 2

ระยะเวลาและความถี่

เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ ในช่วงเวลาคลื่นมีช่วงเวลา T ซึ่งเป็นเวลาที่ใช้ในการทำให้ครบวงจรในขณะที่ความถี่ f เป็นค่าผกผันหรือซึ่งกันและกันของช่วงเวลาและสอดคล้องกับจำนวนรอบที่ดำเนินการต่อหน่วยเวลา .

ความถี่ f มีหน่วยเป็นหน่วยในระบบสากลเวลาผกผัน: s ^-1หรือเฮิรตซ์เพื่อเป็นเกียรติแก่ไฮน์ริชเฮิร์ทซ์ผู้ค้นพบคลื่นวิทยุในปี พ.ศ. 2429 1 เฮิรตซ์ถูกตีความว่าเป็นความถี่เทียบเท่ากับหนึ่งรอบหรือการสั่นสะเทือนต่อ วินาที.

ความเร็ว v ของคลื่นเกี่ยวข้องกับความถี่กับความยาวของคลื่น:

v = λ.f = l / T

ความถี่เชิงมุม

อีกแนวคิดที่มีประโยชน์คือความถี่เชิงมุมωกำหนดโดย:

ω = 2πf

ความเร็วของคลื่นกลจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับตัวกลางที่พวกมันเดินทาง ตามกฎทั่วไปคลื่นกลมีความเร็วสูงขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านของแข็งและช้ากว่าในก๊าซรวมทั้งบรรยากาศ

โดยทั่วไปความเร็วของคลื่นกลหลายประเภทคำนวณโดยนิพจน์ต่อไปนี้:

ตัวอย่างเช่นสำหรับคลื่นที่เคลื่อนที่ไปตามคอร์ดความเร็วจะถูกกำหนดโดย:

ความตึงเครียดในสตริงมีแนวโน้มที่จะทำให้สตริงกลับสู่ตำแหน่งสมดุลในขณะที่ความหนาแน่นของมวลจะป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้นทันที

สูตรและสมการ

สมการต่อไปนี้มีประโยชน์ในการแก้แบบฝึกหัดที่ตามมา:

ความถี่เชิงมุม:

ω = 2πf

ระยะเวลา:

T = 1 / ฉ

ความหนาแน่นเชิงเส้นมวล:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

ความเร็วของคลื่นที่แพร่กระจายในสตริง:

ตัวอย่างการทำงาน

แบบฝึกหัด 1

คลื่นไซน์ที่แสดงในรูปที่ 2 เดินทางในทิศทางของแกน x บวกและมีความถี่ 18.0 เฮิรตซ์เป็นที่ทราบกันดีว่า 2a = 8.26 ซม. และ b / 2 = 5.20 ซม. หา:

ก) แอมพลิจูด

b) ความยาวคลื่น

c) ระยะเวลา

d) ความเร็วของคลื่น

สารละลาย

ก) แอมพลิจูดคือ a = 8.26 ซม. / 2 = 4.13 ซม

b) ความยาวคลื่นคือ l = b = 2 x20 ซม. = 10.4 ซม.

c) ช่วงเวลา T เป็นค่าผกผันของความถี่ดังนั้น T = 1 / 18.0 Hz = 0.056 s

d) ความเร็วของคลื่นคือ v = lf = 10.4 ซม. 18 เฮิร์ต = 187.2 ซม. / วินาที

แบบฝึกหัด 2

ลวดเส้นบางยาว 75 ซม. มีมวล 16.5 กรัม ปลายด้านหนึ่งยึดกับตะปูในขณะที่อีกด้านหนึ่งมีสกรูที่ช่วยให้ปรับความตึงของเส้นลวดได้ คำนวณ:

ก) ความเร็วของคลื่นนี้

b) ความตึงเครียดในนิวตันที่จำเป็นสำหรับคลื่นตามขวางซึ่งมีความยาวคลื่น 3.33 ซม. ในการสั่นด้วยอัตรา 625 รอบต่อวินาที

สารละลาย

a) การใช้ v = λ.fใช้ได้กับคลื่นกลและการแทนค่าตัวเลขที่เราได้รับ:

v = 3.33 ซม. x 625 รอบ / วินาที = 2081.3 ซม. / วินาที = 20.8 ม. / วินาที

b) ความเร็วของคลื่นที่แพร่กระจายผ่านสตริงคือ:

ความตึง T ในเชือกหาได้จากการยกกำลังสองทั้งสองด้านของความเท่ากันและการแก้:

T = v ² .μ = 20.8 ² . 2.2 x 10 ^-6 N = 9.52 x 10 ^-4 N.

เสียง: คลื่นตามยาว

เสียงเป็นคลื่นตามยาวทำให้เห็นภาพได้ง่ายมาก สิ่งที่คุณต้องมีคือสปริงเกลียวที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถทำการทดลองหลายอย่างเพื่อกำหนดรูปร่างของคลื่น

คลื่นตามยาวประกอบด้วยพัลส์ที่บีบอัดและขยายตัวกลางสลับกัน พื้นที่บีบอัดเรียกว่า "การบีบอัด" และบริเวณที่ขดลวดสปริงอยู่ห่างกันมากที่สุดคือ "การขยายตัว" หรือ "หายาก" ทั้งสองโซนเคลื่อนที่ไปตามแกนแกนของ slinky และก่อตัวเป็นคลื่นตามยาว

รูปที่ 5. คลื่นตามยาวที่แพร่กระจายไปตามสปริงขดลวด ที่มา: self made.

ในลักษณะเดียวกับที่สปริงส่วนหนึ่งถูกบีบอัดและอีกส่วนหนึ่งยืดออกเมื่อพลังงานเคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่นเสียงจะบีบอัดอากาศบางส่วนที่ล้อมรอบแหล่งที่มาของการรบกวน ด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถแพร่กระจายในสุญญากาศได้

สำหรับคลื่นตามยาวพารามิเตอร์ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้สำหรับคลื่นคาบตามขวางนั้นใช้ได้อย่างเท่าเทียมกัน: แอมพลิจูดความยาวคลื่นคาบความถี่และความเร็วของคลื่น

ในรูปที่ 5 ความยาวคลื่นของคลื่นตามยาวที่เดินทางไปตามขดลวดสปริงจะแสดง

ในนั้นมีการเลือกจุดสองจุดที่อยู่ตรงกลางของการบีบอัดสองครั้งที่ต่อเนื่องกันเพื่อระบุค่าของความยาวคลื่น

การบีบอัดมีค่าเทียบเท่ากับยอดเขาและการขยายจะเทียบเท่ากับหุบเขาในคลื่นตามขวางดังนั้นคลื่นเสียงจึงสามารถแทนด้วยคลื่นไซน์ได้

ลักษณะของเสียง: ความถี่และความเข้ม

เสียงเป็นคลื่นกลชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติพิเศษหลายประการซึ่งแตกต่างจากตัวอย่างที่เราเห็นจนถึงตอนนี้ ต่อไปเราจะดูว่าคุณสมบัติใดที่เกี่ยวข้องมากที่สุด

ความถี่

หูของมนุษย์รับรู้ความถี่ของเสียงว่าเป็นเสียงแหลมสูง (ความถี่สูง) หรือต่ำ (ความถี่ต่ำ)

ช่วงความถี่ที่ได้ยินในหูของมนุษย์อยู่ระหว่าง 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ส่วนที่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์เป็นเสียงที่เรียกว่าอัลตร้าซาวด์และอยู่ด้านล่างของอินฟราซาวนด์ซึ่งเป็นความถี่ที่มนุษย์ไม่ได้ยิน แต่สุนัขและสัตว์อื่น ๆ สามารถรับรู้ได้ และใช้

ตัวอย่างเช่นค้างคาวจะปล่อยคลื่นอัลตร้าซาวด์ออกจากจมูกเพื่อระบุตำแหน่งของมันในที่มืดและเพื่อการสื่อสาร

สัตว์เหล่านี้มีเซ็นเซอร์ที่พวกมันรับคลื่นสะท้อนและตีความเวลาหน่วงระหว่างคลื่นที่ปล่อยออกมาและคลื่นสะท้อนและความแตกต่างของความถี่และความเข้ม ด้วยข้อมูลเหล่านี้ทำให้สรุประยะทางที่พวกเขาเดินทางไปและด้วยวิธีนี้พวกเขาสามารถรู้ได้ว่าแมลงอยู่ที่ไหนและบินไปมาระหว่างรอยแยกของถ้ำที่พวกมันอาศัยอยู่

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในทะเลเช่นปลาวาฬและโลมามีระบบที่คล้ายกัน: พวกมันมีอวัยวะพิเศษที่เต็มไปด้วยไขมันในหัวซึ่งพวกมันส่งเสียงและเซ็นเซอร์ที่เกี่ยวข้องในขากรรไกรที่ตรวจจับเสียงสะท้อน ระบบนี้เรียกว่า echolocation

ความเข้ม

ความเข้มของคลื่นเสียงหมายถึงพลังงานที่ขนส่งต่อหน่วยเวลาและต่อหน่วยพื้นที่ พลังงานต่อหนึ่งหน่วยเวลาคือพลังงาน ดังนั้นความเข้มของเสียงเป็นพลังงานต่อหน่วยพื้นที่และมาในวัตต์ / m ²หรือ W / m 2 หูของมนุษย์รับรู้ความรุนแรงของคลื่นเป็นระดับเสียง: ยิ่งเพลงดังมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งดังเท่านั้น

หูตรวจจับความเข้มระหว่าง 10 ^-12และ 1 W / m ²โดยไม่รู้สึกเจ็บปวด แต่ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มและระดับเสียงที่รับรู้ไม่เป็นเส้นตรง ในการสร้างเสียงที่มีระดับเสียงสองเท่าต้องใช้คลื่นที่มีความเข้มมากกว่า 10 เท่า

ระดับความเข้มของเสียงคือความเข้มสัมพัทธ์ที่วัดตามมาตราส่วนลอการิทึมซึ่งหน่วยคือเบลและบ่อยกว่าเดซิเบลหรือเดซิเบล

ระดับความเข้มของเสียงแสดงเป็นβและกำหนดเป็นเดซิเบลโดย:

β = 10 บันทึก (I / I _o )

ฉันคือความเข้มของเสียงและฉัน_oเป็นระดับอ้างอิงที่ถูกนำมาเป็นเกณฑ์ของการได้ยินที่ 1 x 10 ^-12 W / m 2

การทดลองเชิงปฏิบัติสำหรับเด็ก

เด็ก ๆ สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับคลื่นกลได้มากมายในขณะที่สนุกสนาน ต่อไปนี้คือการทดลองง่ายๆเพื่อดูว่าคลื่นส่งผ่านพลังงานซึ่งสามารถควบคุมได้อย่างไร

- การทดลองที่ 1: อินเตอร์คอม

วัสดุ

- ถ้วยพลาสติก 2 ใบที่มีความสูงมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางมาก

- ระหว่างลวดที่แข็งแรง 5 ถึง 10 เมตร

นำไปปฏิบัติ

เจาะฐานของแว่นตาเพื่อให้ด้ายผ่านและยึดด้วยปมที่ปลายแต่ละด้านเพื่อไม่ให้ด้ายหลุดออก

- ผู้เล่นแต่ละคนหยิบแก้วแล้วเดินออกไปเป็นเส้นตรงเพื่อให้แน่ใจว่าด้ายยังคงตึง

- ผู้เล่นคนหนึ่งใช้แก้วของเขาเป็นไมโครโฟนและพูดกับคู่หูของเขาซึ่งแน่นอนว่าต้องเอาแก้วแนบหูเพื่อที่จะฟัง ไม่จำเป็นต้องตะโกน

ผู้ฟังจะสังเกตได้ทันทีว่าเสียงของคู่หูของเขาถ่ายทอดผ่านด้ายตึง หากด้ายไม่ตึงจะได้ยินเสียงของเพื่อนไม่ชัดเจน คุณจะไม่ได้ยินอะไรเลยถ้าคุณใส่ด้ายเข้าไปในหูของคุณโดยตรงแก้วเป็นสิ่งที่จำเป็นในการฟัง

คำอธิบาย

เราทราบจากส่วนก่อนหน้าว่าความตึงเครียดในสตริงมีผลต่อความเร็วของคลื่น การส่งผ่านยังขึ้นอยู่กับวัสดุและเส้นผ่านศูนย์กลางของเรือ เมื่อคู่หูพูดพลังงานของเสียงของเขาจะถูกส่งไปในอากาศ (คลื่นตามยาว) จากที่นั่นไปที่ด้านล่างของแก้วแล้วเป็นคลื่นตามขวางผ่านด้าย

ด้ายส่งคลื่นไปที่ด้านล่างของเรือของผู้ฟังซึ่งสั่นสะเทือน การสั่นสะเทือนนี้ส่งไปในอากาศและรับรู้โดยแก้วหูและสมองแปลความหมาย

- การทดลองที่ 2: การสังเกตคลื่น

นำไปปฏิบัติ

สปริงเกลียวที่มีความยืดหยุ่นซึ่งสามารถก่อตัวเป็นคลื่นได้หลายประเภทตั้งอยู่บนโต๊ะหรือพื้นผิวเรียบ

รูปที่ 6 สปริงเกลียวสำหรับเล่นหรือที่เรียกว่า slinky ที่มา: Pixabay

คลื่นตามยาว

ปลายจะถือหนึ่งในแต่ละมือ จากนั้นแรงกระตุ้นในแนวนอนขนาดเล็กจะถูกนำไปใช้กับปลายด้านหนึ่งและสังเกตเห็นชีพจรที่แพร่กระจายไปตามสปริง

นอกจากนี้คุณยังสามารถวางปลายด้านหนึ่งของสลินกี้ยึดกับที่รองรับหรือขอให้เพื่อนร่วมงานจับมันได้โดยยืดให้เพียงพอ วิธีนี้ทำให้มีเวลามากขึ้นในการสังเกตว่าการบีบอัดและการขยายตามกันแพร่กระจายจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งอย่างรวดเร็วตามที่อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้านี้อย่างไร

คลื่นตามขวาง

slinky จับที่ปลายด้านหนึ่งยืดให้เพียงพอ ปลายด้านฟรีจะสั่นเล็กน้อยโดยการเขย่าขึ้นและลง สังเกตเห็นชีพจรไซน์เคลื่อนที่ไปตามสปริงและถอยหลัง

อ้างอิง

1. Giancoli, D. (2549). ฟิสิกส์: หลักการกับการใช้งาน รุ่นที่หก ศิษย์ฮอลล์. 308-336
2. ฮิววิตต์พอล (2012) วิทยาศาสตร์กายภาพเชิงแนวคิด. ฉบับที่ห้า เพียร์สัน 239-244.
3. เร็กซ์, A. (2011). พื้นฐานของฟิสิกส์ เพียร์สัน 263-273.