คุณสามารถจินตนาการว่าคลื่นกลคืออะไรโดยการขว้างก้อนหินลงไปในน้ำ วงกลมที่ปรากฏบนนั้นและเป็นร่องสลับกับสันเขาเป็นตัวอย่างของคลื่นกล สาระสำคัญของพวกเขาคืออะไร? คลื่นกลเป็นกระบวนการของการแพร่กระจายของแรงสั่นสะเทือนในตัวกลางยืดหยุ่น
คลื่นบนพื้นผิวของเหลว
คลื่นกลดังกล่าวเกิดขึ้นจากอิทธิพลของแรงระหว่างโมเลกุลและแรงโน้มถ่วงที่มีต่ออนุภาคของของเหลว ผู้คนได้ศึกษาปรากฏการณ์นี้มาเป็นเวลานาน ที่โดดเด่นที่สุดคือมหาสมุทรและคลื่นทะเล เมื่อความเร็วลมเพิ่มขึ้น ลมจะเปลี่ยนและความสูงเพิ่มขึ้น รูปร่างของคลื่นเองก็ซับซ้อนขึ้นเช่นกัน ในมหาสมุทรพวกเขาสามารถไปถึงสัดส่วนที่น่ากลัวได้ ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของพลังอย่างหนึ่งคือสึนามิที่กวาดล้างทุกสิ่งที่ขวางหน้า
พลังงานคลื่นทะเลและคลื่นทะเล
เมื่อถึงฝั่ง คลื่นทะเลจะเพิ่มขึ้นพร้อมกับความลึกที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว บางครั้งพวกมันก็สูงถึงหลายเมตร ในช่วงเวลาดังกล่าว พลังงานจลน์ของมวลน้ำขนาดมหึมาจะถูกถ่ายโอนไปยังสิ่งกีดขวางชายฝั่ง ซึ่งถูกทำลายอย่างรวดเร็วภายใต้อิทธิพลของมัน ความแรงของคลื่นบางครั้งถึงค่าอันยิ่งใหญ่
คลื่นยืดหยุ่น
ในทางกลศาสตร์ ไม่เพียงแต่ศึกษาการสั่นสะเทือนบนพื้นผิวของของเหลวเท่านั้น แต่ยังศึกษาสิ่งที่เรียกว่าคลื่นยืดหยุ่นอีกด้วย สิ่งเหล่านี้เป็นการรบกวนที่แพร่กระจายในสื่อต่าง ๆ ภายใต้การกระทำของแรงยืดหยุ่นในตัวมัน การรบกวนดังกล่าวเป็นการเบี่ยงเบนใดๆ ของอนุภาคของตัวกลางที่กำหนดจากตำแหน่งสมดุล ตัวอย่างที่ดีของคลื่นยืดหยุ่นคือเชือกยาวหรือท่อยางที่ติดอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง หากคุณดึงให้แน่นแล้วสร้างความปั่นป่วนในปลายที่สอง (ไม่คงที่) ด้วยการเคลื่อนไหวที่แหลมคมด้านข้าง คุณจะเห็นว่ามัน “วิ่ง” ตลอดความยาวของเชือกไปยังส่วนรองรับและสะท้อนกลับมา
ที่มาของคลื่นกล
การรบกวนเบื้องต้นทำให้เกิดคลื่นในตัวกลาง เกิดจากการกระทำของวัตถุแปลกปลอมซึ่งในฟิสิกส์เรียกว่าแหล่งกำเนิดคลื่น อาจเป็นมือคนเหวี่ยงเชือกหรือโยนกรวดลงไปในน้ำก็ได้ ในกรณีที่การกระทำของแหล่งที่มามีอายุสั้น คลื่นเดี่ยวมักจะปรากฏขึ้นในตัวกลาง เมื่อ “ตัวก่อกวน” เคลื่อนไหวแบบแกว่งยาว คลื่นก็เริ่มปรากฏขึ้นทีละตัว
เงื่อนไขการเกิดคลื่นกล
การสั่นแบบนี้ไม่ได้เกิดขึ้นตลอดเวลา เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการปรากฏตัวของพวกเขาคือการเกิดขึ้นในขณะที่เกิดการรบกวนของตัวกลางของแรงที่ป้องกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งความยืดหยุ่น พวกเขามักจะนำอนุภาคที่อยู่ใกล้เคียงเข้ามาใกล้กันมากขึ้นเมื่อแยกออกจากกันและผลักออกจากกันเมื่อเข้าใกล้กัน แรงยืดหยุ่นที่กระทำการไกลจากแหล่งที่มาของการรบกวนของอนุภาคเริ่มที่จะดึงพวกเขาออกจากสมดุล เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคของตัวกลางทั้งหมดจะมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่แบบสั่นครั้งเดียว การแพร่กระจายของการแกว่งดังกล่าวเป็นคลื่น
คลื่นกลในตัวกลางยืดหยุ่น
ในคลื่นยืดหยุ่น มีการเคลื่อนไหว 2 แบบพร้อมกัน: การสั่นของอนุภาคและการแพร่กระจายของสิ่งรบกวน คลื่นตามยาวเป็นคลื่นกลที่อนุภาคสั่นไปตามทิศทางของการแพร่กระจาย คลื่นตามขวางคือคลื่นที่มีอนุภาคตัวกลางสั่นข้ามทิศทางของการแพร่กระจาย
คุณสมบัติของคลื่นกล
การรบกวนในคลื่นตามยาวเป็นการหายากและการบีบอัด และในคลื่นตามขวางจะเกิดการเลื่อน (การกระจัด) ของสื่อบางชั้นที่สัมพันธ์กับชั้นอื่นๆ การเสียรูปการบีบอัดจะมาพร้อมกับลักษณะของแรงยืดหยุ่น ในกรณีนี้ การเสียรูปของแรงเฉือนสัมพันธ์กับการปรากฏตัวของแรงยืดหยุ่นเฉพาะในของแข็งเท่านั้น ในตัวกลางที่เป็นก๊าซและของเหลว การเปลี่ยนแปลงของชั้นของตัวกลางเหล่านี้ไม่ได้มาพร้อมกับลักษณะของแรงที่กล่าวถึง เนื่องจากคุณสมบัติของพวกมัน คลื่นตามยาวสามารถแพร่กระจายในสื่อใดๆ ในขณะที่คลื่นตามขวางสามารถแพร่กระจายในของแข็งเท่านั้น
ลักษณะของคลื่นบนผิวของเหลว
คลื่นบนพื้นผิวของของเหลวไม่เป็นคลื่นตามยาวหรือตามขวาง พวกมันมีลักษณะที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งเรียกว่าอักขระตามขวางตามยาว ในกรณีนี้ อนุภาคของเหลวจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมหรือตามวงรีที่ยาว การเคลื่อนที่เป็นวงกลมของอนุภาคบนพื้นผิวของของเหลว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการสั่นขนาดใหญ่ จะมาพร้อมกับการเคลื่อนตัวของอนุภาคที่ช้าแต่ต่อเนื่องเคลื่อนที่ไปในทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น คุณสมบัติของคลื่นกลในน้ำทำให้เกิดอาหารทะเลต่างๆ ขึ้นฝั่ง
ความถี่คลื่นกล
หากอนุภาคของมันตื่นเต้นในแรงสั่นสะเทือนในตัวกลางยืดหยุ่น (ของเหลว ของแข็ง ก๊าซ) อันเนื่องมาจากปฏิกิริยาระหว่างกัน มันจะแพร่กระจายด้วยความเร็ว u ดังนั้น หากวัตถุที่สั่นอยู่ในตัวกลางที่เป็นก๊าซหรือของเหลว การเคลื่อนที่ของมันจะเริ่มส่งผ่านไปยังอนุภาคทั้งหมดที่อยู่ติดกัน พวกเขาจะมีส่วนร่วมในกระบวนการต่อไปเป็นต้น ในกรณีนี้ ทุกจุดของตัวกลางจะเริ่มสั่นด้วยความถี่เดียวกัน เท่ากับความถี่ของตัวกลางที่สั่น เป็นความถี่ของคลื่น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ค่านี้สามารถระบุได้ว่าเป็นความถี่การสั่นของจุดในตัวกลางที่คลื่นแพร่กระจาย
อาจไม่ชัดเจนในทันทีว่ากระบวนการนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร คลื่นกลเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานของการเคลื่อนที่แบบสั่นจากแหล่งกำเนิดไปยังขอบของตัวกลาง เป็นผลให้เกิดความผิดปกติที่เรียกว่าเป็นระยะซึ่งถูกคลื่นพาจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ในกรณีนี้ อนุภาคของตัวกลางจะไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น พวกมันสั่นใกล้ตำแหน่งสมดุล นั่นคือเหตุผลที่การแพร่กระจายของคลื่นกลไม่ได้มาพร้อมกับการถ่ายโอนสสารจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง คลื่นเครื่องกลมีความถี่ต่างกัน ดังนั้นพวกเขาจึงถูกแบ่งออกเป็นช่วงและสร้างมาตราส่วนพิเศษ ความถี่มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz)
สูตรพื้นฐาน
คลื่นกลซึ่งมีสูตรการคำนวณค่อนข้างง่ายเป็นวัตถุที่น่าสนใจในการศึกษา ความเร็วคลื่น (υ) คือความเร็วของการเคลื่อนที่ด้านหน้า (ตำแหน่งของจุดทั้งหมดที่เกิดการสั่นของตัวกลางในขณะนั้น):
υ=√G/ ρ, โดยที่ ρ คือความหนาแน่นของตัวกลาง G คือโมดูลัสความยืดหยุ่น
เมื่อทำการคำนวณ อย่าสับสนความเร็วของคลื่นกลในตัวกลางกับความเร็วของการเคลื่อนที่ของอนุภาคของตัวกลางที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการคลื่น ตัวอย่างเช่น คลื่นเสียงในอากาศแพร่กระจายด้วยความเร็วการสั่นสะเทือนเฉลี่ยของโมเลกุล 10 m/s ในขณะที่ความเร็วของคลื่นเสียงในสภาวะปกติคือ 330 m/s
หน้าคลื่นมีหลายรูปแบบ ง่ายสุดคือ:
• ทรงกลม - เกิดจากการผันผวนในตัวกลางที่เป็นก๊าซหรือของเหลว ในกรณีนี้ แอมพลิจูดของคลื่นจะลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิดในสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะทาง
• แบน - เป็นระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายคลื่น มันเกิดขึ้นตัวอย่างเช่นในกระบอกสูบลูกสูบปิดเมื่อมันแกว่ง คลื่นระนาบมีลักษณะเฉพาะด้วยแอมพลิจูดเกือบคงที่ การลดลงเล็กน้อยตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิดรบกวนสัมพันธ์กับระดับความหนืดของตัวกลางที่เป็นก๊าซหรือของเหลว
ความยาวคลื่น
ภายใต้ความยาวคลื่นจะเข้าใจระยะทางที่ด้านหน้าจะเคลื่อนที่ไปในเวลานั้นเท่ากับระยะเวลาการสั่นของอนุภาคของตัวกลาง:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, โดยที่ T คือคาบการสั่น υ คือความเร็วของคลื่น ω คือความถี่ไซคลิก ν คือความถี่การสั่นของจุดกลาง
เนื่องจากความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นกลขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง ความยาวของคลื่น λ จะเปลี่ยนระหว่างการเปลี่ยนจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง ในกรณีนี้ ความถี่การสั่น ν จะยังคงเท่าเดิมเสมอ คลื่นกลและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความคล้ายคลึงกันเมื่อแผ่ขยาย พลังงานจะถูกถ่ายโอน แต่ไม่ว่าสิ่งใดจะถูกถ่ายโอน
