การเคลื่อนไหวฮาร์โมนิกอย่างง่าย vs การเคลื่อนที่เป็นระยะ
การเคลื่อนที่แบบเป็นระยะและการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายเป็นการเคลื่อนไหวที่สำคัญมากในการศึกษาฟิสิกส์สองประเภท การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายเป็นแบบอย่างที่ดีในการทำความเข้าใจการเคลื่อนที่แบบคาบที่ซับซ้อน บทความนี้จะอธิบายว่าการเคลื่อนที่แบบคาบและการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายคืออะไร การใช้งาน ความเหมือน และความแตกต่างในที่สุด
การเคลื่อนไหวเป็นระยะ
การเคลื่อนไหวตามระยะเวลาถือได้ว่าเป็นการเคลื่อนไหวใดๆ ที่ทำซ้ำในช่วงเวลาที่กำหนด ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นการเคลื่อนที่เป็นระยะ ดาวเทียมที่โคจรรอบโลกเป็นการเคลื่อนที่แบบคาบ แม้แต่การเคลื่อนที่ของชุดบอลทรงตัวก็เป็นการเคลื่อนที่แบบคาบการเคลื่อนที่เป็นระยะส่วนใหญ่ที่เราพบนั้นเป็นแบบวงกลมหรือครึ่งวงกลม การเคลื่อนที่เป็นระยะมีความถี่ ความถี่หมายถึงความถี่ที่เหตุการณ์เกิดขึ้น เพื่อความง่าย เราใช้ความถี่เป็นค่าที่เกิดขึ้นต่อวินาที การเคลื่อนไหวเป็นระยะ ๆ อาจเป็นแบบเดียวกันหรือไม่สม่ำเสมอก็ได้ การเคลื่อนที่เป็นระยะสม่ำเสมอสามารถมีความเร็วเชิงมุมสม่ำเสมอได้ ฟังก์ชันต่างๆ เช่น การมอดูเลตแอมพลิจูดสามารถมีคาบคู่ได้ เป็นฟังก์ชันคาบที่ห่อหุ้มฟังก์ชันคาบอื่นๆ ค่าผกผันของความถี่ของการเคลื่อนที่เป็นคาบให้เวลาของคาบหนึ่ง การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายและการเคลื่อนไหวฮาร์มอนิกแบบแดมเปอร์ก็เป็นการเคลื่อนไหวแบบเป็นระยะเช่นกัน
การเคลื่อนไหวฮาร์โมนิกอย่างง่าย
การเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่ายถูกกำหนดให้เป็นการเคลื่อนไหวที่อยู่ในรูปของ a=– (ω2) x โดยที่ “a” คือความเร่งและ “x” คือ การเคลื่อนตัวจากจุดสมดุล คำว่า ω เป็นค่าคงที่ การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายต้องการแรงในการฟื้นฟู แรงคืนสภาพอาจเป็นสปริง แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็ก หรือแรงไฟฟ้าการสั่นแบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายจะไม่ปล่อยพลังงานออกมา พลังงานกลทั้งหมดของระบบถูกอนุรักษ์ไว้ หากไม่ใช้การอนุรักษ์ ระบบจะเป็นระบบฮาร์มอนิกแบบแดมเปอร์ มีการประยุกต์ที่สำคัญหลายอย่างของการสั่นฮาร์มอนิกอย่างง่าย นาฬิกาลูกตุ้มเป็นหนึ่งในระบบฮาร์มอนิกที่เรียบง่ายที่สุดที่มีอยู่ จะเห็นได้ว่าคาบของการแกว่งไม่ขึ้นกับมวลของลูกตุ้ม หากปัจจัยภายนอก เช่น แรงต้านของอากาศ ส่งผลต่อการเคลื่อนไหว แรงสั่นสะเทือนจะลดลงในที่สุดและจะหยุดลง สถานการณ์ในชีวิตจริงมักจะสั่นคลอนอยู่เสมอ ระบบมวลสปริงเป็นตัวอย่างที่ดีสำหรับการสั่นแบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย แรงที่เกิดจากความยืดหยุ่นของสปริงทำหน้าที่เป็นแรงฟื้นฟูในสถานการณ์นี้ การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายยังสามารถใช้เป็นการฉายภาพของการเคลื่อนที่แบบวงกลมด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่ ที่จุดสมดุล พลังงานจลน์ของระบบจะกลายเป็นค่าสูงสุด และที่จุดเปลี่ยน พลังงานศักย์จะกลายเป็นสูงสุดและพลังงานจลน์จะกลายเป็นศูนย์
การเคลื่อนที่ตามระยะและการเคลื่อนที่แบบธรรมดาต่างกันอย่างไร
• การเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่ายคือกรณีพิเศษของการเคลื่อนที่แบบเป็นระยะ
• การเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่ายต้องใช้แรงคืนตัว แต่อาจมีการเคลื่อนไหวเป็นระยะๆ โดยไม่ต้องคืนแรง
• การเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่ายช่วยประหยัดพลังงานเชิงกลทั้งหมด แต่ระบบเป็นระยะไม่จำเป็นต้องทำเช่นนั้น
