ดูเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆ เสียงและการสั่นสะเทือน

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมได้สังเกตเส้นเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆของมัน ได้ช่วยกันสังเกตรูปแบบและความถี่การสั่นเมื่อเชือกถูกถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ เด็กอนุบาลสามได้เรียนรู้เรื่องเสียงสูงเสียงต่ำและการสั่นสะเทือนต่างๆครับ ขอบคุณอาจารย์ Tawinan Cheiwchanchamnangij และ Nu Lambda Scientific ที่ให้ใช้อุปกรณ์ทดลองครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง  “ดูคลื่นในสปริง คลื่นซ้อนทับ การสั่นพ้อง การสั่นธรรมชาติ” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

เด็กๆได้สังเกตว่าถ้าเรามีคลื่นวิ่งสวนกันอย่างเหมาะสม ผลลัพธ์จะเป็นคลื่นยืนหรือคลื่นนิ่ง (standing wave) ที่ขยับขึ้นลงอย่างเดียว ไม่วิ่งไปมาครับ:

ถ้าเรามีเส้นเชือกที่ปลายข้างหนึ่งอยู่กับที่ และปลายอีกข้างหนึ่งสั่นเบาๆ คลื่นจะวิ่งจากปลายที่สั่นเบาๆไปถึงอีกปลายหนึ่ง แล้วสะท้อนวิ่งกลับมา ถ้าเราปรับความถี่การสั่นให้พอเหมาะ คลื่นที่วิ่งไปจะรวมกับคลื่นที่สะท้อนกลับมากลายเป็นคลื่นนิ่ง ความถี่ที่ทำให้เกิดคลื่นนิ่งอย่างนี้เป็นความถี่ธรรมชาติอันหนึ่งของเส้นเชือกนั้นๆ

สิ่งต่างๆมีความถี่ธรรมชาติ (natural frequencies) หลายๆความถี่ ถ้าเราสั่นมันด้วยความถี่ธรรมชาติเหล่านั้นมันจะสั่นตามแรงๆจากปรากฏการณ์สั่นพ้อง (resonance)

หน้าตาการสั่นของวัตถุที่ความถี่ธรรมชาติต่างๆก็แตกต่างกันไปตามรูปทรง ขนาด ประเภทวัสดุ วิธีที่เราจับมันไว้ และความถี่ที่สั่น

คราวนี้เด็กๆได้สังเกตการสั่นธรรมชาติของเส้นเชือกที่สองปลายถูกจับไว้ให้ขยับน้อยๆครับ เชือกถูกทำให้สั่นน้อยๆที่ปลายข้างหนึ่งด้วยลำโพงที่ขยับที่ความถี่ต่างๆที่เรากำหนด ถ้าเราขยับเส้นเชือกด้วยความถี่ที่ตรงกับความถี่ธรรมชาติอันใดอันหนึ่งของเส้นเชือก เส้นเชือกจะสั่นตามแรงๆ และมีรูปทรงประมาณนี้ครับ:

อาจารย์ Tawinan Cheiwchanchamnangij และ Nu Lambda Scientific ให้อุปกรณ์สำหรับสังเกตการสั่นเส้นเชือกมาให้เด็กๆเล่นครับ หน้าตาเป็นอย่างนี้:

เมื่อเราถ่วงปลายเชือกด้วยน้ำหนักต่างๆกัน ความตึงในเชือกจะทำให้ความถี่ธรรมชาติเปลี่ยนไปครับ (ติดถึงสายเครื่องดนตรีเครื่องสายที่ตึงหรือหย่อนแล้วเสียงต่างกันอย่างไรครับ) เด็กๆประถมช่วยกันเก็บข้อมูลการสั่นของเชือกเส้นเดียวที่ถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆกัน ว่ามีความถี่ธรรมชาติต่างๆอย่างไร:

ความถี่ธรรมชาติ เชือกแดง/ขาว  มัดพัสดุ ความยาว 108 เซ็นติเมตร ถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ
ความถี่ธรรมชาติ เชือกแดง/ขาว มัดพัสดุ ความยาว 108 เซ็นติเมตร ถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ

 ความถี่ธรรมชาติทั้งหลายจะเพิ่มเป็นเท่าๆของความถี่ธรรมชาติที่ต่ำสุดครับ คือจะเป็น 2 เท่า 3 เท่า … ไปเรื่อยๆ ถ้าเชือกตึงมากขึ้น (คือถ่วงด้วยน้ำหนักที่มากขึ้น) ความถี่ธรรมชาติก็จะสูงขึ้น ความถี่ธรรมชาติของเชือกที่ปลายทั้งสองอยู่กับที่ขึ้นกับความยาวของเชือก มวลต่อความยาวเชือก และแรงตึงในเชือก ความสัมพันธ์อยู่ในรูปนี้:

ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ธรรมชาติต่ำสุดของเชือก กับความตึง มวลต่อความยาว และความยาวของเชือกครับ
ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ธรรมชาติต่ำสุดของเชือก กับความตึง มวลต่อความยาว และความยาวของเชือกครับ

สำหรับเด็กอนุบาลสาม ผมให้เล่นเรื่องการเสียงและสั่นสะเทือน เอาลำโพงที่ปล่อยเสียงความถี่ต่างๆมาให้เด็กๆฟัง ให้เข้าใจว่าเสียงสูงมีความถี่สูง เสียงต่ำมีความถี่ต่ำ สามารถสังเกตการสั่นสะเทือนโดยเอาของเบาๆเช่นเม็ดโฟมไปไว้บนลำโพง หรือเอาถาดพลาสติกใส่เม็ดโฟมหรือถาดโลหะใส่น้ำวางไว้บนลำโพงก็ได้ เด็กๆสนุกที่สุดตอนเอาลูกปิงปองสองลูกสองสีไปวางไว้บนลำโพงแล้วเชียร์ว่าลูกไหนจะอยู่ได้นานกว่ากันครับ 

 

One thought on “ดูเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆ เสียงและการสั่นสะเทือน”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *