physic ม.ปลาย

ลำดับตอนที่ #3 : แรง มวล และกฎการเึคลื่อนที่

แรง (F) สิ่งที่กระทําตอวัตถุในรูปของการพยายามดึงหรือดันที่จะทําใหวัตถุเคลื่อนที่ซึ่งแรงเปนปริมาณเวกเตอร  มีหนวยเปนนิวตัน  (N)  โดยที่  1 N  = 1 kg.m/s

 แรงเสียดทาน มีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ ซึ่งขึ้นอยู่กับมวล ถ้าพื้นที่ผิวยิ่งมากก็จะมีแรงเสียดทานมาก

และผิวขรุขระก็มีแรงเสียดทานมากกว่า และยางเสียดทานมากกว่าไม้

แรงเสียดทานสถิต (Static  Friction) คือ  แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุยังไม่เคลื่อนที่( อยู่นิ่ง) จนกระทั่งวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ เช่น  ออกแรงผลักรถแล้วรถยังอยู่นิ่ง  เป็นต้น

แรงเสียดทานจลน์  (Kinetic Friction)  คือ  แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุขณะที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว  เช่น  การกลิ้งของวัตถุ  การลื่นไถลของวัตถุและการไหลของวัตถุ เป็นต้น 

สัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน  (  coefficient  of  friction  ) 

 

มวล(m) คือปริมาณของวัตถุที่ต้านการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ มวลเป็นปริมาณ สเกลาร์ มีหน่วยวัดเป็นกิโลกรัม(kg)

 

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

 

กฎการเคลื่อนที่ขอที่ 1 ของนิวตัน ( Newton’s first law of  motion )  เปนกฎที่เนนถึงสภาพเดิมของการเคลื่อนที่ดังนี้“ ถาไมมีแรงภายนอกกระทําตอวัตถุวัตถุจะอยูในสภาวะเดิมของการเคลื่อนที่ ” กลาวคือ ถาวัตถุหยุดนิ่งก็จะหยุดนิ่งตอไป ซึ่งเรียกวา สมดุลสถิต ( static equilibrium ) และถาวัตถุเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่ดวยความเร็วคงที่ตอไป ซึ่งเรียกวา ( kinetic equilibrium ) เขียนความสัมพันธไดดังนี้        

 ∑ F = 0

 

กฎการเคลื่อนที่ขอที่ 2 ของนิวตัน ( Newton’s second law of motion ) 

“ ถามีแรงลัพธที่ไมเทากับศูนยกระทํากับวัตถุอันหนึ่ง จะทําใหวัตถุอันนั้นมีความเรง  ในทิศทางเดียวกับทิศ

ทางของแรงนั้น  โดยมีขนาดแปรผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ  และแปรผกผันกับมวลของวัตถุนั้น ”

 

สรุปคือ นิวตันได้ให้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุไว้ว่า

 “ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุมีค่าไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่” 

นั่นคือ ความเร็วของวัตถุอาจจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงหรืออาจเปลี่ยนแปลงทิศทางการเคลื่อนที่

เรียกว่า “วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง”

 

 

กฎการเคลื่อนที่ขอที่ 3 ของนิวตัน ( Newton’s third law of motion )

 “ ทุกแรงกิริยา ( action ) จะตองมีแรงปฏิกิริยา ( reaction ) ทีมีขนาดเทากัน

 และมีทิศทางตรงขามเสมอ”

นำกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันไปใช้

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันทั้ง 3 ข้อเป็นความรู้พื้นฐานที่สำคัญมากในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งสามารถทำให้เข้าใจ

หรือใช้อธิบายสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุทุกชนิด และยังเป็นพื้นฐานสำหรับ

การนำไปศึกษาเรื่องอื่น ๆ ในบทต่อ ๆ ไป และการแก้ปัญหาในปัญหาต่าง ๆที่กล่าวมาสามารถนำเอา

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันมาวิเคราะห์เป็นขั้นตอนได้ ดังต่อไปนี้

1. หาดูว่า “วัตถุ” อันไหนที่ต้องการพิจารณา

2. หลังจากเลือกวัตถุแล้ว ให้พิจารณาถึงสิ่งแวดล้อมของวัตถุนั้น เช่น เป็นพื้นเอียง  เป็นสปริง  เชือก โลก  เป็นต้น  

เพราะสิ่งแวดล้อมเหล่านี้อาจออกแรงกระทำกับวัตถุของเรา

3. เลือกแกนอ้างอิง(แนวดิ่ง และ/หรือ แนวราบ )ให้เหมาะสม โดยให้วัตถุอยู่ที่จุดกำเนิด พร้อมทั้งตั้งแกนให้ง่าย

ต่อการพิจารณาต่อไป

4. วาดรูปวัตถุนั้นแยกออกจากส่วนอื่นๆ แสดงแกนอ้างอิงและแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ

ซึ่งเรียกว่า free-body diagram

5. ใช้กฎข้อที่ 2 ของนิวตันในการวิเคราะห์ปัญหาดังกล่าว

น้ำหนัก (W)

w=mg

เนื่องจากน้ำหนักเป็นแรงที่โลกดึงดูดวัตถุ น้ำหนักจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีทิศเดียวกับความเร่ง g ดังนั้น

น้ำหนักจึงมีทิศพุ่งเข้าหาจุดศูนย์กลางโลกเสมอ โดยมีหน่วย นิวตัน (N)

กฎแรงดึงดูดระหว่างมวล

"วัตถุทั่งหลายในเอกภพจะออกแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน โดยขนาดของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุคู่หนึ่ง ๆ

จะแปรผันตรงกับผลคูณระหว่างมาลวัตถุที่สองและจะแปรผกผันกับกำลังสองชองระยะทางระหว่าง

วัตถุทั้งสองนั่น"

เมื่อ m₁ และ m₂ เป็นมวลของวัตถุแต่ละก้อน มีหน่วยเป็น กิโลกรัม 
R เป็นระยะระหว่างมวล m₁ กับm₂ มีหน่วยเป็น เมตร 
G เป็นค่าคงตัวความโน้มถ่วงสากล เท่ากับ 6.673 x10^-11 นิวตัน – เมตรต่อกิโลกรัม² 
F_G เป็นแรงดึงดูดระหว่างมวล m₁ กับm₂ มีหน่วยเป็น นิวตัน

มวลของโลก

 จากรูป วัตถุมวล m อยู่ที่ผิวโลกซึ่งมีมวล m_e มีรัศมี R_e วัตถุและโลกต่างดูดซึ่งกันและกันด้วยแรง F_e มีค่าเป็น

 m_e = 5.9810 kg

 

ความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งห่างจากโลก

 

กลัวจะงงกันจังเลย อยากยกตัวอย่างอ่ะ จะได้เข้าใจ

 

นักบินอวกาศหญิงหามวลของตัวเธอเองบนอวกาศ  เพราะไม่สามารถจะชั่งหามccวลในอวกาศได้ 

โดยเธอนั่งบนเก้าอี้ที่ติดกับสปริงดังรูป  ถ้าเก้าอี้มีมวล  15  kg  ขณะกำลังเคลื่อนที่

ด้วยความเร่ง  24  mm/s²  ให้สปริงมีแรงดึงกลับ  1.8  N  จงหาว่ามวลของเธอเป็นเท่าไร

วิธีทำ   

จากกฎข้อที่สองของนิวตัน   F  =  ma

ย้ายข้างจะได้               m   =   F/a   

=  1.8  N  / 24 x 10^-3  m/s²     

=    75   kg

เป็นมวลที่รวมมวลของเก้าอี้ด้วย   ด้งนั้นต้องลบมวลของเก้าอี้  15  kg  ออก

จะได้มวลของนักบินอวกาศ  60  kg

ลืมอธิบาย โจทย์ที่มีมุมอ่ะค่ะ

งงกันไหมเนี่ย สงสัยถามได้น่ะค่ะ

ต่อไปเป็นโจทย์แรงดึงดูดน่ะ

ทำโจทย์เยอะๆน่ะค่ะ

 

ขอขอบคุณ

อ.ชิดชัย http://phchitchai.wbvschool.net/archives/1063

ฟิสิกส์ราชมงคล http://www.rmutphysics.com/physics1/My%20Webs/chap4/chap4-IE/excercise1.htm

อ.สุนันทศักดิ์  ระวังวงศ์ http://psc.pbru.ac.th/lesson/index-power.html

 

by wickynana