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)   อ่านต่อครับ

เสียง

 

               เสียงเกิดจาก การสั่นของวัตถุ  เราสามารถทำให้วัตถุสั่นด้วยวิธีการ ดีด สี ตีและเป่า 
เมื่อแผล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น จะทำให้โมเลกุลอากาศสั่นตามไปด้วยความถี่เท่ากับการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียง
เกิดเป็นช่วงอัดช่วงยายของโมเลกุลของอากาศ ซึ่งพลังงานของการสั่นจะแผ่ออกไปรอบๆแหล่งกำเนิดเสียง
ตรงกลางส่วนอัดและตรงกลางส่วนขยายโมเลกุลอากาศจะไม่มีการเคลื่อนที่(การกระจัดเป็นศูนย์)
/ แต่ตรงกลางส่วนอัดความดันอากาศจะมากและตรงกลางส่วนขยายความดันอากาศจะน้อยมาก
ดังนั้นคลื่นเสียงจึงเป็นคลื่นตามยาวเพราะโมเลกุลของอากาศจะสั่นในทิศเดียวกับทิศที่เสียงเคลื่อนที่ไป
ความดังของเสียงจะขึ้นอยู่กับช่วงกว้างของการสั่น(แอมปลิจูด) ถ้าแอมปลิจูดมากเสียงจะดังมาก 
การเปลี่ยนความดันอากาศนี้สามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า จนถึง หูของ ผู้ฟังทำให้ได้ยินเสียง

 รูปแสดงการเกิดคลื่นเสียงจากการสั่นของสายกีต้า เพียง 1 ทิศทาง  

	แบบฝึกหัดประจำสัปดาห์     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        คลิกครับ การทดลองเสมือนจริง  เสียง ข้อสำคัญ   การทดลองนี้ต้องใช้โปรแกรมShockwave  ถ้าไม่สามารถเห็นภาพได้ต้องดาวโลด  Shockwave   จึงจะสามารถเล่นได้พร้อมทั้งมีเสียงประกอบด้วย ทฤษฎีเรื่องบีตส์ การเกิดบีตส์ (Beat)   เป็นปรากฎการณ์จากการแทรกสอดของคลื่นเสียง  2  ขบวน   ที่มีความถี่แตกต่างกันเล็กน้อย  และเคลื่อนที่อยู่ในแนวเดียวกันเกิดการรวมคลื่นเป็นคลื่นเดียวกัน  ทำให้แอมพลิจูดเปลี่ยนไป  เป็นผลทำให้เกิดเสียงดังเสียงค่อยสลับกันไปด้วยความถี่ค่าหนึ่ง กดที่ภาพหรือที่นี่เพื่อเข้าสู่การทดลอง   ถ้าทดลองไม่ได้ให้ดาวโลด  shockwave player    ในห้องทดลองนี้  ประกอบด้วยเด็กซนผู้หนึ่ง  กับกระดิ่งอีกอันหนึ่ง  ให้เด็กเป็นผู้สังเกต  ส่วนกระดิ่งเป็นแหล่งกำเนิดเสียง   ทั้งคู่เคลื่อนที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน  แหล่งกำเนิดเสียงมีความถี่  fs  และความถี่ที่ผู้สังเกตได้ยินเป็น  fo      กำหนดให้  ทิศทางการเคลื่อนที่ไปทางขวาเป็นบวก  และทางซ้ายเป็นลบ   เริ่มต้นด้วย  vo   =    4.0  m/s  และ    vs  =   10.0   m/s    และ   fs  =   200  Hz   กดปุ่ม  RUN     แหล่งกำเนิดเสียงจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าผู้สังเกต  ดังนั้นระยะของผู้สังเกตหรือเด็กกับแหล่งกำเนิดเสียงจะห่างเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ  และความถี่ที่ได้ยิน  fo > fs   โดยมี   Df =  fo - fs <  0  กดที่รูปภาพหรือที่นี่เพื่อเข้าสู่การทดลอง ปรากฎการณ์ดอปเปอร์ วิธีทดลอง      ในห้องทดลองปรากฎการณ์ดอปเปอร์นี้ คุณสามารถทดลองได้ด้วยตนเอง   โดยสามารถเห็น และได้ยินเสียง จากการทดลองโดยตรง ในห้องทดลอง 1.   ใช้เมาส์คลิกที่คน และสามารถเลื่อนไปมาได้ 2.   คลิกปุ่ม  Sound  เมื่อต้องการฟังเสียง คลิกเข้าสู่การทดลองครับ การทดลองการแทรกสอดของลูกคลื่น คลิกครับ วิธีทดลอง         การทดลองนี้แสดงการแทรกสอดของคลื่นตามขวางแบบเสริมกันและหักล้างกัน ทางซ้ายและขวาเป็นจุด 4 จุด  ใช้เมาส์สร้างคลื่นได้ตามต้องการ  เมื่อกด ปุ่ม  Run  เข้าสู่โมดเตรียมพร้อม  หลังจากกดปุ่ม  Play  จะเป็นภาพเคลื่อนไหวแสดงการแทรกสอดของคลื่น ทำการทดลองด้วยตนเอง สร้างลูกคลื่น 2 ลูกด้วยตนเอง วาดรูป บันทึกการทดลองแสดงภาพเคลื่อนไหว  การแทรกสอดเป็นลำดับ  5 ขั้นตอน สารบัญกระดานฟิสิกส์ราชมงคล  ที่มา : https://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=809