การสั่นพ้อง

การสั่นพ้อง (Resonance)


การสั่นพ้องคือการที่วัตถุสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติโดยแอมปลิจูดของการสั่นมากขึ้นเรื่อยๆ ถ้าเป็นคลื่นเสียงก็จะทำให้เสียงดังมากขึ้น จนอาจทำให้วัตถุเสียหายได้ หรือเกิดความรำคาญได้ การสั่นพ้องเกิดขึ้นได้ 2 แบบคือ

1. การสั่นพ้องด้วยแรง หมายถึงการสั่นพ้องที่เกิดขึ้นโดยการออกแรงกระทำกับวัตถุเป็นจังหวะที่มีความถี่เท่ากับความถี่ธรรมชาติของวัตถุเป็นเวลานาน

เมื่อลมพัดที่ความเร็วคงตัวค่าหนึ่งเป็นเวลานาน ซึ่งแรงลมพอดีกับความถี่ธรรมชาติของสะพาน

ทำให้สะพานเกิดการสั่นพ้อง แอมปลิจูดของการสั่นที่มากขึ้นทำให้สะพานขาด



2. การสั่นพ้องด้วยคลื่น หมายถึงการสั่นพ้องที่เกิดขึ้นโดยการส่งคลื่นที่มีความถี่เท่ากับความถี่ธรรมชาติของวัตถุกระทบกับวัตถุเป็นเวลานาน ดูตัวอย่างเพิ่มเติมในเรื่องการสั่นพ้องของเสียง



ความถี่ธรรมชาติ (Natural Frequency)

เมื่อทำให้วัตถุสั่นหรือแกว่งอย่างอิสระ วัตถุจะสั่นหรือแกว่งด้วยความถี่คงที่ค่าหนึ่ง ซึ่งเรียกความถี่นี้ว่า “ความถี่ธรรมชาติ”

1. ความถี่ธรรมชาติในการแกว่งของลูกตุ้ม





รูป การแกว่งของลูกตุ้ม

การทดลองเรื่องการแกว่งของลูกตุ้ม



2. ความถี่ธรรมชาติในการสั่นของมวลติดสปริง



รูป แสดงการสั่นของมวลติดสปริง





การทดลองเรื่องการสั่นของมวลติดสปริง

3. ความถี่ธรรมชาติของการสั่นของเส้นเชือกที่ขึงตึง






รูป แสดงจำนวนลูปของคลื่นนิ่งในเส้นเชือก ที่ขึงตึง ยาว L จะสามารถเกิดคลื่นนิ่งที่มีตวามยาวคลื่นได้หลายค่า หรือเขียน เป็นสมการความสัมพันธ์ ได้ว่า

เมื่อ n = 1, 2, 3, ….. ความถี่ เรียกว่า ฮาร์มอนิกที่ n

เนื่องจากอัตราเร็วคลื่นในเส้นเชือกมีค่าขึ้นอยู่กับความตึงเชือก T และมวลต่อหน่วยความยาว μ

ดังนั้นจึงเขียนได้ว่า

การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของคลื่นในเส้นเชือก

4. ความถี่ธรรมชาติของการสั่นของลำอากาศในท่อ

4.1 ท่อปลายปิดข้างหนึ่ง เมื่ออากาศในท่อสั่นตามยาว โดยอิสระจะเกิดคลื่นนิ่งขึ่นในท่อ ปลายปิดจะเป็นตำแหน่งบัพ(ของการกระจัด) ปลายเปิดจะเป็นตำแหน่งปฎิบัพ(ของการกระจัด) ดังนั้น ถ้าท่อยาว L



รูป แสดงจำนวนลูปของคลื่นนิ่งในท่อปิดด้านหนึ่ง ยาว L จะสามารถเกิดคลื่นนิ่งที่มีตวามถี่ได้หลายค่า หรือเขียน เป็นสมการความสัมพันธ์ ได้ว่า

เมื่อ n = 1, 3, 5, ….. ความถี่ เรียกว่า ฮาร์มอนิกที่ n และ v เป็นอัตราเร็วของเสียงในอากาศขณะนั้นซึ่งมีค่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ คือ


การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของคลื่นในท่อปลายปิดข้างหนึ่ง



4.2 ท่อปลายเปิดสองข้าง เมื่ออากาศในท่อสั่นตามยาว โดยอิสระจะเกิดคลื่นนิ่งขึ่นในท่อ ปลายเปิดทั้งสองข้างจะเป็นตำแหน่งปฎิบัพ(ของการกระจัด) ดังนั้น ถ้าท่อยาว L





รูป แสดงจำนวนลูปของคลื่นนิ่งในท่อเปิดสองด้าน ยาว L จะสามารถเกิดคลื่นนิ่งที่มีตวามถี่ได้หลายค่า หรือเขียน เป็นสมการความสัมพันธ์ ได้ว่า

เมื่อ n = 1, 2, 3, ….. ความถี่ เรียกว่า ฮาร์มอนิกที่ n และ v เป็นอัตราเร็วของเสียงในอากาศขณะนั้นซึ่งมีค่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ คือ


การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของคลื่นในท่อปลายเปิดทั้งสองข้าง



การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของคลื่นในท่อปลายปิดทั้งสองข้าง

5. ความถี่ธรรมชาติของวัตถุแผ่นบาง แผ่นวัตถุบางที่อ่อนตัวและถูกขึงให้ตึงหรือตรึงขอบได้ เช่น แผ่นหน้ากลอง เมื่อทำให้สั่นจะสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติได้หลายค่า การศึกษาเกี่ยวกับความถี่ธรรมชาติของแผ่นวัตถุบางนี้มีประโยชน์มากในการออกแบบไดอะแฟรมของลำโพง



รูป แสดงการสั่นที่ความถี่ธรรมชาติของแผ่นบางรูปวงกลม