• คลื่นเสียง

  
  

  การสั่นและคลื่นเสียง

  ภาพประจำสัปดาห์   

  SHOCK  WAVES หรือ ชอร์กเวฟ

            ชอร์กเวฟเกิดขึ้นจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ได้เท่ากับความเร็วของคลื่นหรือเร็วกว่า  จะเกิดปรากฎการณ์ที่ว่าสันคลื่นไม่สามารถที่จะเคลื่อนที่ออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียง โดยถ้าแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ได้เท่ากับความเร็วของคลื่น   สันคลื่นจะเกิดการซ้อนกัน  เสริมกันกลายเป็นแอมพลิจูดขนาดใหญ่เรียกว่า  ชอร์กเวฟ    และเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เร็วกว่าคลื่น  สันคลื่นจะฟอร์มตัวเป็นรูปกรวย  โดยมีมุม    =  sin^-1(v/u)    อัตราส่วน  u/v  เรียกว่า เลขมัค  (Mach number)     ชอร์กเวฟเกิดขึ้นได้บ่อยมากในสถานการณ์ต่างๆกัน  ดังเช่น  โซนิกบูม  คือ ชอร์กเวฟประเภทหนึ่งของเครื่องบินที่วิ่งเร็วเหนือเสียง    คลื่นที่เกิดหลังเรือเร็วก็เป็นชอร์กเวฟอีกประเภทหนึ่ง    นอกอวกาศก็สามารถจะเกิดชอร์กเวฟได้  อย่างเช่น ลมสุริยะที่วิ่งด้วยความเร็วสูงเข้าชนสนามแม่เหล็กโลก  เป็นต้น

  

  a)  เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของคลื่น  สันคลื่นจะรวมกันอยู่ที่ยอดก่อให้เกิดชอร์กเวฟขึ้น  b)  ชอร์กเวฟเกิดขึ้นได้อีกกรณีหนึ่งเมื่อความเร็วของแหล่งกำเนิดเสียง u  มากกว่าความเร็วของคลื่น v  ในช่วงระยะเวลา หน้าคลื่นจะเคลื่อนที่ได้เป็นระยะ   แต่แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ได้ระยะทางมากกว่า คือ         ชอร์กเวฟจะฟอร์มตัวเป็นรูปกรวย  โดยมีมุม   =  sin^-1(v/u) 

     ค ลื่ นเ สี ย ง    

                  เสียงเกิดจาก การสั่นของวัตถุ เราสามารถทำให้วัตถุสั่นด้วยวิธีการ ดีด สี ตีและเป่า เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น จะทำให้โมเลกุลอากาศสั่นตามไปด้วยความถี่เท่ากับการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียง เกิดเป็นช่วงอัดช่วงยายของโมเลกุลของอากาศ ซึ่งพลังงานของการสั่นจะแผ่ออกไปรอบๆแหล่งกำเนิดเสียง ตรงกลางส่วนอัดและตรงกลางส่วนขยายโมเลกุลอากาศจะไม่มีการเคลื่อนที่(การกระจัดเป็นศูนย์) / แต่ตรงกลางส่วนอัดความดันอากาศจะมากและตรงกลางส่วนขยายความดันอากาศจะน้อยมาก ดังนั้นคลื่นเสียงจึงเป็นคลื่นตามยาวเพราะโมเลกุลของอากาศจะสั่นในทิศเดียวกับทิศที่เสียงเคลื่อนที่ไป ความดังของเสียงจะขึ้นอยู่กับช่วงกว้างของการสั่น(แอมปลิจูด) ถ้าแอมปลิจูดมากเสียงจะดังมาก การเปลี่ยนความดันอากาศนี้สามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า จนถึง หูของ ผู้ฟังทำให้ได้ยินเสียง
  รูปแสดงการเกิดคลื่นเสียงจากการสั่นของสายกีต้า เพียง 1 ทิศทาง  
  

  แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วเสียง v source  =   v  sound    (Mach 1  )  จ่อที่กำแพงเสียง        เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเสียง   (v s  =  v หรือ Mach  1  )   หน้าคลื่นทางขวาจะถูกอัดกันอยู่ทางด้านหน้า เป็นแนวเส้นโค้ง  ทำให้หน้าคลื่นเกิดการแทรกสอดแบบเสริมกัน  ความดันของคลื่นเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย   เรียกว่า คลื่นกระแทก  ( shock wave)    ภาพบนคือลูกปืนที่วิ่งด้วยความเร็ว Mach 1.01  จะเห็นคลื่นกระแทกเป็นแนวโค้งหน้าลูกปืนอย่างชัดเจน      กดที่นี่ครับเพื่ออ่านต่อ

  ชัค เยเกอร์ มนุษย์ผู้ฝ่ากำแพงเสียง ประสบอุบัติเหตุ        เพียง 2 วันก่อนขึ้นบินทดลองฝ่ากำแพงเสียง  ร้อยเอก ชัค เยเกอร์  แห่งกองทัพอากาศสหรัฐฯ ก็ประสบอุบัติเหตุจากการขี่ม้าจนกระดูกซี่โครงหัก 2 ซี่  และถูกกระแทกจนเกือบหมดสติ   ตอนเช้าวันที่ 14 ตุลาคม ค.ศ. 1947  ซึ่งเป็นวันรุ่งขึ้นหลังจากวันที่ประสบอุบัติเหตุ  หมอใช้เทปพันรอบตัวเขาเพื่อดามซี่โครงที่หักนั้นไว้ชั่วคราว  แขนขวาของเขาก็ยังปวดจนใช้การไม่ได้  แต่หากเขาปล่อยให้เจ้าหน้าที่กองทัพอากาศรู้เรื่องนี้เข้า  การบินทดลองซึ่งเป็นความลับสุดยอดครั้งนี้จะต้องเลื่อนออกไปทันที

• คลื่นแสง 

  ภาพนี้คัดลอกมาจาก Nick Strobel's Astronomy Notes, http://www.astronomynotes.com/, copyright 1998-2002 by Nick Strobel.

  ---

  ลักษณะความเป็นคลื่นของแสง    แสง หมายถึง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าตั้งฉากซึ่งกันและกัน เคลื่อนที่ไปพร้อมกัน โดยทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นตั้งฉากกับทิศทางของสนามทั้งสอง (ดูภาพประกอบ) ลักษณะความเป็นคลื่นของแสงระบุได้ด้วยสมบัติอย่างใดอย่างหนึ่งใน 3 อย่าง กล่าวคือ  ความยาวคลื่น (): ระยะระหว่างยอดคลื่น(crest)ที่อยู่ติดกัน วัดในหน่วยความยาว เช่น เมตร เซนติเมตร เป็นต้น  ความถี่คลื่น (f): จำนวนการสั่นไหวของคลื่น (wave oscillatation) หรือ จำนวนลูกคลื่นต่อวินาที วัดในหน่วย cm-1 (Hz)  ความเร็วคลื่น (V): สัมพันธ์กับความยาวคลื่นและความถี่คลื่นดังสมการ  V  =  f  วัดในหน่วย เมตรต่อวินาที เป็นต้น     กรณีของคลื่นแสง,  v คือ ความเร็วแสง c = 3x108 เมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นค่าคงที่ ดังนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้น จะมีความถี่คลื่นสูง คลื่นที่มีความยาวคลื่นยาวจะมีความถี่ต่ำ  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นคลื่นวิทยุ ไมโครเวพ อินฟราเรด อัลตราไวโอเล็ต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา ฯลฯ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันหมด คือ ความเร็วแสง แม้ว่าคลื่นแต่ละชนิดดังกล่าวจะมีพลังงานไม่เท่ากัน     สมบัติความเป็นคลื่นของแสงได้รับการยืนยันจากการทดลองเกี่ยวกับการสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน และการแทรกสอดว่ามีอยู่จริงและสามารถคำนวณผลลัพธ์ได้อย่างถูกต้อง เช่น การทดลองให้แสงผ่านช่องเล็กยาวแบบคู่ของทอมัส ยัง ในปี ค.ศ.1801 พบว่ามีการแทรกสอดของคลื่นแสงจากเส้นสว่างและมืดสลับกันอย่างชัดเจน  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดแรกที่ถูกค้นพบ คือ คลื่นวิทยุ พบโดย ไฮน์ริช แฮตซ์ ในห้องทดลองที่เบอร์ลินในปี 1888 ลักษณะความเป็นอนุภาคของแสง     แสง ประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคขนาดเล็ก แต่ละอนุภาคมีมวลน้อยมากจนถือว่าปราศจากมวล เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง  อนุภาคดังกล่าวเราเรียกว่า โฟตอน พลังงานของแต่ละโฟตอนมีค่าเท่ากับ hf เรียกว่าปริมาณ 1 ควอนตัม   โดย h คือ ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.63x10-34 J s และ  f คือ ความถี่คลื่นแสง    ผู้ที่เสนอความคิดว่าแสงประกอบด้วยกลุ่มก้อนพลังงานที่เรียกว่า ควอนตา เป็นคนแรกคือ มักซ์ พลังค์ ในปี 1900ผู้ที่พิสูจน์เป็นคนแรกว่าแสงประกอบด้วยลำโฟตอน คือ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ จากการตีพิมพ์คำอธิบายเกี่ยวกับ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในปี 1905 ตกลงว่า แสง เป็น คลื่น หรือ อนุภาค ? คำตอบ:  แสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค มีลักษณะของภาพที่ปรากฎที่เรียกว่า ทวิภาพของคลื่น/อนุภาค แต่จะแสดงภาพ   ความเป็นคลื่นหรืออนุภาคเพียงอย่างหนึ่งอย่างใดภายใต้สภาวการณ์หนึ่งเท่านั้น เช่น หากให้แสงผ่านช่องเล็กยาว  แบบคู่ แสงจะแสดงภาพเป็นคลื่น แต่ถ้าควบคุมให้แสงค่อยๆผ่านช่องเล็กยาวแบบเดี่ยว แสงจะแสดงภาพเป็นอนุภาค