การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
การเคลื่อนที่ของวัตถุติดสปริงบนพื้นราบ ในรูป วางมวลไว้บนพื้นราบ ผูกวัตถุเข้ากับปลายหนึ่งของสปริงโดยที่อีกปลายหนึ่งของสปริงผูกติดกับผนัง วัตถุจะอยู่นิ่งๆ บนพื้นในตำแหน่งสมดุล เมื่อดึงวัตถุออกจากตำแหน่งสมดุลแล้วปล่อยให้วัตถุเคลื่อนที่บนพื้นราบ วัตถุจะเคลื่อนที่กลับไปกลับมาผ่านตำแหน่งสมดุลและซ้ำเส้นทางเดิมการเคลื่อนที่ในลักษณะนี้มีจำนวนมาก เช่น การสั่นของสายไวโอลินเมื่อถูกสี การสั่นของกลองเมื่อถูกตี การเคลื่อนที่ของวัตถุที่ติดปลายลวดสปริง การเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศเมื่อเคลื่อนเสียงส่งผ่าน การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสายอากาศของเครื่องส่งวิทยุ เป็นต้น ปริมาณที่สำคัญอย่างหนึ่งของการเคลื่อนที่ในลักษณะนี้ คือ ความถี่ ซึ่งหมายถึงจำนวนรอบของการเคลื่อนที่ใน 1 วินาที แทนสัญลักษณ์ f มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz) ซึ่ง 1 Hz = ความถี่จะเป็นส่วนกลับกับคาบ ดังสมการ คาบคือ เวลาในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ ใช้สัญลักษณ์ T แทนคาบ คาบมีหน่วยเป็นวินาที (s) การเคลื่อนที่ใดๆ ซึ่งเคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำทางเดิม โดยผ่านตำแหน่งสมดุลและคาบของการเคลื่อนที่คงตัว ดังแสดงด้วยกราฟของการเคลื่อนที่ในแนวแกน x ดังรูป เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบพีริออดิก(periodic motion)
การเคลื่อนที่แบบพีริออดิกชนิดหนึ่งที่กราฟของการกระจัดกับเวลาอยู่ในรูปของฟังก์ชันไซน์หรือโคไซน์ความถี่คงที่มีค่าที่แน่นอนค่าเดียว เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย (simple harmonic motion) นั่นคือ การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายเป็นการเคลื่อนที่แบบพีริออดิกอย่างหนึ่ง อาจจะเรียกย่อๆ ว่า การเคลื่อนที่แบบ SHM การกระจัดทาง x ในรูปฟังก์ชันของเวลา t ของ SHM โดยทั่วไปเขียนเป็นสมการได้เป็น ซึ่ง , และ เป็นค่าคงตัวเป็นการกระจัดสูงสุด เรียกว่า แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นความถี่เชิงมุม มีค่าเท่ากับ เมื่อ f เป็นความถี่ หรือเท่ากับ เมื่อ T เป็น คาบ (period) เป็นค่าคงตัวทางเฟส (phase constant) หมายถึงเฟสเริ่มต้น คือค่าเฟสที่เวลาเป็นศูนย์ การเคลื่อนที่จะเป็นรูปไซน์หรือโคไซน์ขึ้นกับค่านี้
จากสมการ เมื่อเขียนกราฟระหว่างการกระจัดกับเวลา โดยมี ต่างๆ กันการกระจัดที่ตำแหน่งเริ่มต้นจะมีค่าขึ้นกับมุมเฟสเริ่มต้นกราฟระหว่างการกระจัดกับเวลาของฟังก์ชันรูปไซน์ สรุปได้ว่า
สำหรับ การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย คือการเคลื่อนที่ซึ่งมีการกระจัดเป็นฟังก์ชันของเวลาเป็นฟังก์ชันรูปไซน์การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายเทียบกับการเคลื่อนที่เป็นวงกลม การฉายแสงผ่านวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม ปรากฏเงาบนฉากเป็น SHM
เงาบนฉากของวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม ก็เหมือนกบการคิดองค์ประกอบทาง x ของการเคลื่อนที่ของจุดๆ หนึ่งเป็นวงกลมบนระนาบ xy ให้ที่ขณะหนึ่งจุดนั้นอยู่ที่ตำแหน่งมุม หลังจากเคลื่อนที่มาแล้วเป็นเวลา t จากจุดตั้งต้นบนแกน x ดังรูป การเคลื่อนที่เป็นวงกลมที่มีอัตราเร็วสม่ำเสมอ
ดังนั้น ถ้าวงกลมมีรัศมี r จะมีองค์ประกอบของตำแหน่งบนแกน x คือ
และองค์ประกอบของความเร็วบนแกน x คือ
จุด P เคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอบนระนาบ xy จากความเร่งในทิศเข้าหาจุดศูนย์กลางมีขนาดเท่ากับ
จะได้องค์ประกอบของความเร่งบนแกน x คือ จะเห็นว่าตำแหน่งทาง x ในสมการ เป็นอย่างเดียวกับสมการเมื่อ =0 ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย และเมื่อนำมาใช้ในสมการ จะทำให้ได้ว่า แสดงลักษณะสำคัญประการหนึ่งของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย นั่นคือ การมีความเร่งเป็นปฎิภาคกับการกระจัดแต่มีทิศตรงกันข้าม เนื่องจาก มีค่าคงตัว ทั้งนี้ทิศของความเร่งจะเป็นทิศเดียวกับแรง และแรงจะต้องเป็นแรงเข้าหาจุดสมดุลในขณะที่การกระจัดมีทิศออกไปจากสมดุล สำหรับการเคลื่อนที่ของดินน้ำมันไปตามแนววงกลม เมื่อเคลื่อนที่ครบ 1 รอบใช้เวลาที่เรียกว่าหนึ่งคาบ (period) หรือ T หนึ่งรอบหมายถึงดินน้ำมันจะเคลื่อนที่ไป
เรเดียน ดังนั้นอัตราเร็วเชิงมุม
ของการเคลื่อนที่เป็นวงกลมจึงมีค่าเท่ากับ ส่วนเงาของดินน้ำมันที่เคลื่อนที่กลับไปกลับมารอบตำแหน่งสมดุลจะมีความถี่ของการเคลื่อนที่เป็น
มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาทีหรือเฮิรตซ์ (hertz, Hz) ความถี่เชิงมุม (
) ของการเคลื่อนที่แบบ SHM มีค่าเป็น
ซึ่งมีค่าเหมือนกับอัตราเร็วเชิงมุม และมีหน่วยเป็นเรเดียนต่อวินาทีเช่นเดียวกัน การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายของรถติดสปริง เมื่อดึงรถทดลองให้สปริงยึดและรถออกจากตำแหน่งสมดุลเป็นระยะ A จะได้การกระจัดของรถทดลองมีค่า A และมีแรง ของสปริงดึงรถทดลองไปทางซ้าย ก. แรงนี้เรียกว่า แรงดึงกลับ (restoring force) มีค่าตาม ซึ่งแสดงว่าขนาดและแรงดึงกลับแปรผันตรงกับระระยืดหรือหดของสปริงหรือขนาดการกระจัด แต่แรงดึงกลับ โดย k เป็นค่าคงตัวของสปริง เมื่อปล่อยมือ แรง จะดึงรถทดลองเคลื่อนที่กลับไปทางซ้ายเข้าหาตำแหน่งสมดุลด้วยความเร่ง ทำให้ความเร็วมีขนาดเพิ่มขึ้นและมีทิศไปทางซ้าย ขนาดของแรง จะลดลง เพราะขนาดการกระจัด ลดลง การเคลื่อนที่เป็นแบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย เมื่อรถทดลองเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสมดุล ขนาดของการกระจัด เป็นศูนย์ ขนาดของ และ ก็เป็นศูนย์แต่ความเร็ว ของรถทดลองจะมีค่ามากที่สุดและมีทิศไปทางซ้ายจากนั้นรถทดลองจะเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งสมดุลไปทางซ้ายต่อไปอีก และอัดลวดสปริงให้หดสั้น ลวดสปริงก็จะออกแรง มีทิศไปทางขวาต้านการเคลื่อนที่ของรถทดลอง ในขณะนี้รถทดลองจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ที่มีทิศไปทางขวาทำให้ความเร็วรถทดลองลดลงเรื่อยๆ จนกระทั่งความเร็วเป็นศูนย์ ขณะนี้รถทดลองมีการกระจัดค่า - A ดังรูป กราฟของการกระจัดของเวลาสำหรับหนึ่งรอบของการเคลื่อนที่ เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของรถทดลองติดปลายสปริงที่เคลื่อนที่ แรงที่สปริงกระทำต่อรถทดลองจะมีค่าเป็น F = - kx ถ้าให้ m เป็นมวลของรถทดลอง และ a เป็นความเร่งของรถทดลอง จากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตัน นั่นคือ การเคลื่อนที่ของรถทดลองติดสปริงเป็นการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่าง่ายเช่นเดียวกับการเคลื่อนที่ของเงาของดินน้ำมัน มีความเร่งแปรผันตรงกับการกระจัด แต่มีทิศตรงกับข้าม เทียบสมการ จะเห็นว่า ความเร่งคือ ความถี่เชิงมุมของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย มีความสัมพันธ์กับค่าคงตัวของสปริง และมวลของวัตถุที่ติดกับสปริง ดังสมการ การแกว่งของลูกตุ้มอย่างง่าย ขณะเส้นเชือกเอียงทำมุมกับแนวดิ่งมีแรงกระทำเข้าหาจุดสมดุล ขณะที่ปล่อยลูกตุ้มมวล m ซึ่งผูกกับเส้นเชือกยาว เอียงเป็นมุม เรเดียนกับแนวดิ่ง ลูกตุ้มมวล m จะมีแรงสองแรงกระทำต่อมวล m คือ น้ำหนักของลูกตุ้ม mg และแรงดึงในเส้นเชือก T ซึ่งทำมุม เรเดียนกับแนวดิ่ง ดังรูป สองแรงนี้รวมกันได้แรงลัพธ์เป็น ตามแนวเส้นสัมผัสซึ่งตั้งฉากกับเส้นเชือกเนื่องจากแรง mg สามารถคิดแยกออกเป็น 2 แรงในแนวตั้งฉากกัน ดังรูป จะเห็นว่าแรงเป็นแรงที่ดึงมวล m กลับสู่ตำแหน่งสมดุล ให้แรงนี้เป็นแรง F ขณะที่ มีขนาดเท่ากับ T ทำให้เชือกตึงยาวเท่าเดิม เมื่อคำนึงถึงทิศด้วย แรงลัพธ์ F คือ
ถ้ามุม เป็นมุมเล็กๆ การเคลื่อนที่โค้งประมาณได้ว่าเป็นเส้นตรง คือการกระจัด x และ จะได้จะเห็นว่า ความเร่งของลูกตุ้มแปรผันตรงกับการกระจัด และมีทิศตรงกันข้ามการแกว่งของลูกตุ้มจึงเป็นการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายด้วย อาจนับว่าเป็นสมการที่ทำนายคาบของลูกตุ้มอย่างง่ายจากที่ได้วิเคราะห์มาตามหลักการของการเคลื่อนที่ที่ต้องเป็นไปตามกฎของนิวตัน คาบของการแกว่งจริงจะเป็นอย่างไร จะศึกษาจากการทดลองดังภาคการทดลองต่อไป |