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 เป็นอัตราเร็วของเสียงในอากาศขณะนั้นซึ่งมีค่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ คือ 
 

การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของคลื่นในท่อปลายปิดข้างหนึ่ง

          

4.2  ท่อปลายเปิดสองข้าง เมื่ออากาศในท่อสั่นตามยาว โดยอิสระจะเกิดคลื่นนิ่งขึ่นในท่อ ปลายเปิดทั้งสองข้างจะเป็นตำแหน่งปฎิบัพ(ของการกระจัด) ดังนั้น ถ้าท่อยาว  L 

 

 

            รูป แสดงจำนวนลูปของคลื่นนิ่งในท่อปิดสองด้าน ยาว  L  จะสามารถเกิดคลื่นนิ่งที่มีตวามถี่ได้หลายค่า หรือเขียน เป็นสมการความสัมพันธ์ ได้ว่า

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

การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของคลื่นในท่อปลายเปิดทั้งสองข้าง

 

การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของคลื่นในท่อปลายปิดทั้งสองข้าง

           5.  ความถี่ธรรมชาติของวัตถุแผ่นบาง  แผ่นวัตถุบางที่อ่อนตัวและถูกขึงให้ตึงหรือตรึงขอบได้ เช่น แผ่นหน้ากลอง เมื่อทำให้สั่นจะสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติได้หลายค่า  การศึกษาเกี่ยวกับความถี่ธรรมชาติของแผ่นวัตถุบางนี้มีประโยชน์มากในการออกแบบไดอะแฟรมของลำโพง

 

 รูป แสดงการสั่นที่ความถี่ธรรมชาติของแผ่นบางรูปวงกลม