บทที่ 4 แรงมวลและกฎการเคลื่อนที่


แรงมวลและกฎการเคลื่อนที่

สภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ
      สภาพการเคลื่อนที่คงเดิม หมายถึง อาการที่วัตถุอยู่นิ่งหรือมีความเร็วคงที่ เช่น นักเรียนคนหนึ่งยืนอยู่นิ่ง ๆ บนพื้น เป็นต้น
      สภาพการเคลื่อนที่เปลี่ยนแปลง หมายถึงอาการที่วัตถุมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง เช่น นักเรียนคนหนึ่งกำลังออกวิ่ง รถยนต์กำลังเบรกกะทันหัน เป็นต้น

สภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ มีองค์ประกอบ ดังนี้
1. แรง
     ในชีวิตประจำวัน ทุกคนออกแรงกระทำต่อวัตถุต่างๆกัน เช่น ดันประตู หิ้วกระเป๋า ยกหนังสือ เข็นรถ เป็นต้น การออกแรงดังกล่าวจะบอกขนาดของแรงว่ามากหรือน้อย มักใช้ความรู้สึกเข้าช่วย เช่น รู้สึกว่ายกหนังสือออกแรงน้อยกว่าเข็นรถ การบอกขนาดของแรงดังกล่าวจะได้ข้อมูลไม่เที่ยงตรง ส่วนการบอกขนาดของแรงในทางฟิสิกส์นั้นจะบอกจากผลของแรง ได้แก่ มวลวัตถุ และการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ เพราะแรงสามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ได้(โดยกำหนดให้ขนาดของแรง 1 นิวตันคือ ขนาดแรงที่ทำให้มวล 1 กิโลกรัมเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงด้วยความเร่ง 1 เมตร/วินาที2 )

     จากรูป - ถ้าวัตถุมีมวลขนาด 1 กิโลกรัม เคลื่อนที่ไปตามแนวแรงด้วยความเร่ง 1 เมตร/วินาที2  แรง F ที่ดึงวัตถุนั้นจะมีขนาดเท่ากับ 1 นิวตัน แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์มีทั้งขนาดและทิศทาง หน่วยของแรงตามระบบ SI คือนิวตัน(N) และแรงสามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ได้

1.1 แรงเสียดทาน
      แรงเสียดทาน ( friction ) หมายถึง แรงที่ต่อต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุโดยเกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุกับผิวของพื้น แรงเสียดทานมีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ

1.2 ปัจจัยที่มีผลต่อแรงเสียดทาน
      1.2.1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มีมวลมากจะกดทับลงบนพื้นผิวมาก จะมีแรงเสียดทานมากกว่าวัตถุที่มีมวลน้อยซึ่งจะกดทับลงบนพื้นผิวน้อย เช่น การวิ่งของนักกีฬา คนที่มีมวลมากจะมีแรงเสียดทานมากกว่าคนที่มีมวลน้อย
        1.2.2. ลักษณะผิวสัมผัส ผิวสัมผัสที่เรียบจะเกิดแรงเสียดทานน้อยกว่าผิวสัมผัสที่ขรุขระ
      1.2.3. ชนิดของวัตถุ ยางมีแรงเสียดทานมากกว่าไม้
1.3. ประเภทของแรงเสียดทาน จำแนกประเภทของแรงเสียดทานตามลักษณะการเคลื่อนที่ของวัตถุได้ 2 ประเภท คือ
      1.3.1. แรงเสียดทานสถิต (Static Friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุยังไม่เคลื่อนที่( อยู่นิ่ง) จนกระทั่งวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ เช่น ออกแรงผลักรถแล้วรถยังอยู่นิ่ง เป็นต้น
แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นนี้จะเท่ากับแรงที่มากระทำและมีค่าสูงสุดเมื่อวัตถุเริ่มจะเคลื่อนที่
      1.3.2. แรงเสียดทานจลน์ (Kinetic Friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุขณะที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว เช่น การกลิ้งของวัตถุ การลื่นไถลของวัตถุและการไหลของวัตถุ เป็นต้น
แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นนี้จะเท่ากับแรงที่มากระทำ ซึ่งค่าของแรงเสียดทานจลน์จะน้อยกว่าแรงเสียดทานสถิตเสมอสำหรับผิวสัมผัสเดียวกัน
1.4. สัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน ( coefficient of friction ) เป็นค่าตัวเลขที่แสดงถึงการเกิดแรงเสียดทาน
ขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ 2 ชนิด ใช้สัญลักษณ์แทนด้วยตัวอักษร (มิว )

2. มวล
       ปริมาณของวัตถุที่ต้านการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ มวลเป็นปริมาณ สเกลาร์ มีหน่วยวัดเป็นกิโลกรัม(kg) (วัตถุที่อยู่นิ่ง จะต้านความพยายามที่จะทำให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ ในทำนองเดียวกัน วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อยู่แล้ว ก็จะต้านความพยายามที่จะทำให้วัตถุนั้นหยุดนิ่ง วัตถุมวลมากจะต้านได้มาก วัตถุมวลน้อยจะต้านได้น้อย)

        เซอร์ไอแซกนิวตัน (Sir Isaac Newton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ศึกษาธรรมชาติของแรงที่มีผลต่อสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ และได้ตั้งกฎการเคลื่อนที่ 3 ข้อ เพื่ออธิบายถึงสภาพการเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ ดังต่อไปนี้

กฎการเคลื่อนที่นิวตัน (Newton's Laws)
       โลกหมุนรอบตัวเองตลอดเวลา ทำให้เกิดกลางวัน-กลางคืน สิ่งมีชีวิตจึงสามารถดำรงชีวิตอยู่ต่อไปได้ การที่โลกหมุนรอบตัวเองตลอดเวลานี้ เนื่องจากมีแรงที่มากระทำต่อโลกนั่นเอง ในทำนองเดียวกัน การที่วัตถุต่างๆ บนโลก เคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้ ก็ต้องมีแรงมากระทำต่อวัตถุเช่นกัน ซึ่งการเคลื่อนที่เนื่องจากแรงดังกล่าว สามารถอธิบายได้ด้วย กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton's Laws)
   
  นิวตัน หรือ เซอร์ไอแซก นิวตัน เป็นนักคณิตศาสตร์ นักฟิสิกส์ นักดาราศาสตร์ นักปรัชญาชาวอังกฤษ เขาได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุ และตั้งกฎการเคลื่อนที่ขึ้นมา 3 ข้อ เพื่ออธิบายธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ เรียกว่า กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน  (Newton's Laws) ได้แก่

    กฎข้อที่ 1 วัตถุใดๆ ก็ตามจะรักษาสภาพหยุดนิ่ง หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดิม ก็ต่อเมื่อแรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุมีค่าเท่ากับศูนย์

    จากกฎข้อนี้สามารถแบ่งได้เป็น 2 กรณี คือ วัตถุที่อยู่นิ่ง และวัตถุที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดิม
วัตถุอยู่นิ่ง                              ความเร็ว (v) เท่ากับ 0 m/s       ความเร่ง (a) เท่ากับ 0 m/s2
วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่    ความเร็ว (v) ไม่เท่ากับ 0 m/s   ความเร่ง (a) เท่ากับ 0 m/s2
    เช่น วัตถุอยู่นิ่งกับที่เมื่อไม่มีแรงมากระทำ หรือวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 3 เมตรต่อวินาทีไปทางทิศเหนือ และจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 3 เมตรต่อวินาทีไปทางทิศเหนือเช่นนี้เรื่อยๆ เมื่อไม่มีแรงใดๆ มากระทำ หรือแรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุมีค่าเป็น 0

สมการกฎข้อที่ 1
∑F = 0
เมื่อ ∑F คือ ผลรวมของแรงหรือแรงลัพธ์

    กฎข้อที่ 2 ความเร่งของวัตถุใดๆ ขึ้นกับตัวแปร 2 ตัว ได้แก่ แรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุ และมวลของวัตถุ โดยความเร่งแปรผันตรงกับแรงลัพธ์ที่มากระทำ แต่จะแปรผกผันกับมวลของวัตถุ

จากกฎข้อนี้กล่าวได้ว่า เมื่อแรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุมีค่าเพิ่มขึ้น ความเร่งก็จะเพิ่มขึ้นด้วย แต่เมื่อมวลของวัตถุเพิ่มขึ้น ความเร่งของวัตถุจะลดลง

สมการกฎข้อที่ 2
∑F = ma
เมื่อ  ∑F คือ ผลรวมของแรงหรือแรงลัพธ์
        m  คือ มวลของวัตถุ
         a  คือ ความเร่งของวัตถุ
*F หรือแรง มีหน่วยเป็น นิวตัน
โดย 1 นิวตัน เท่ากับ 1 kg • m/s2
หรือหมายความว่า แรง 1 นิวตัน คือ แรงที่ทำให้วัตถุ 1 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง 1 m/s2

   กฎข้อที่ 3 ทุกๆ แรงกิริยา จะมีแรงปฏิกิริยาในปริมาณที่เท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกระทำกลับมา หรือ แรงกิริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยา

สมการกฎข้อที่ 3
F12 = - F21
เมื่อ F12  คือ แรงกิริยาที่วัตถุชิ้นที่ 1 กระทำต่อวัตถุชิ้นที่ 2
      F21 คือ แรงปฏิกิริยาที่วัตถุชิ้นที่ 2 กระทำต่อวัตถุชิ้นที่ 1

      ตัวอย่างเช่น ขณะที่คนกำลังพายเรือ จะดันไม้พายไปข้างหลัง และเกิดความเร่งขึ้น มีแรงที่ไม้พายกระทำต่อน้ำ เป็นแรงกิริยา และน้ำจะดันไม้พายไปข้างหน้า ซึ่งเป็นแรงปฏิกิริยา เป็นผลให้เรือเคลื่อนไปข้างหน้า ขนาดของแรงที่ไม้พายกระทำกับน้ำ เท่ากับ ขนาดของแรงที่น้ำกระทำกับไม้พาย แต่มีทิศทางตรงข้ามกัน

การนำกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันไปใช้
     กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันทั้ง 3 ข้อเป็นความรู้พื้นฐานที่สำคัญมากในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งสามารถทำให้เข้าใจหรือใช้อธิบายสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุทุกชนิด และยังเป็นพื้นฐานสำหรับการนำไปศึกษาเรื่องอื่น ๆ ในบทต่อ ๆ ไป และการแก้ปัญหาในปัญหาต่าง ๆ ที่กล่าวมาสามารถนำเอากฎการเคลื่อนที่ของนิวตันมาวิเคราะห์เป็นขั้นตอนได้





https://sites.google.com/site/sbiwooo/fisiks-m-4/bth-thi3-raeng-mwl-laea-kd-kar-kheluxnthi
ศูนย์การเรียนรู้วิทยาศาสตร์โลกและดาราศาสตร์. กฎของนิวตัน. สืบค้นเมื่อ 28 มิถุนายน 2560
the Physics Classroom. Newton's Laws

ความคิดเห็น

แสดงความคิดเห็น

โพสต์ยอดนิยมจากบล็อกนี้

บทที่ 1 การวัดและการแปลความหมายข้อมูล

รูปภาพ
ระบบหน่วยระหว่างชาติ ปริมาณทางฟิสิกส์  เป็นปริมาณที่สามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือโดยตรงหรือโดยอ้อม      เป็นปริมาณที่มีความหมายเฉพาะเจาะจงอย่างใดอย่างหนึ่งเช่น  ปริมาตร  มวล  น้ำหนัก  ความเร็ว  ความดัน  แรง  กระแสไฟฟ้า  ความต่างศักย์ไฟฟ้า  อุณหภูมิ เป็นต้น  ปริมาณเหล่านี้จะต้องมีหน่วยกำกับจึงจะมีความหมายชัดเจน เพื่อให้การใช้หน่วยเป็นมาตรฐานเดียวกันทั่วโลก  โดยเฉพาะในวงการทางวิทยาศาสตร์ องค์กรระหว่างชาติเพื่อการมาตรฐาน  ( ISO  : International  Organization  for  Standardization )  ได้กำหนดระบบหน่วยมาตรฐานที่เรียกว่า ระบบหน่วยระหว่างชาติ  หรือ ระบบเอสไอ            ( SI : Systeme  Internationale ) ให้ทุกประเทศใช้เป็นมาตรฐาน ระบบเอสไอ  ประกอบด้วยหน่วยฐาน  หน่วยอนุพันธ์  และหน่วยเสริม หน่วยฐาน ( Base  Units )  เป็นหน่วยหลักของเอสไอ  มี 7 หน่วย  ได้แก่ ปริมาณ หน่วย สัญลักษณ์ ความยาว เมตร m มวล กิโลกรัม kg เวลา วินาที s อุณหภูมิอุณหพลวัต เคลวิน K กระแสไฟฟ้า แอมแปร์ A
อ่านเพิ่มเติม

บทที่ 5 การเคลื่อนที่แบบต่างๆ

รูปภาพ
  การเคลื่อนที่แบบต่างๆ การเคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์          ลักษณะการเคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์              การเคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์ เป็นการเคลื่อนที่  2  แนวพร้อมกัน คือ แนวระดับ และแนวดิ่ง ซึ่งพบว่า ความเร็วในแนวระดับ ไม่มีผลต่อการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง โดยจากการทดลองปล่อยวัตถุให้ตกอย่างอิสระ พร้อมกับวัตถุที่ถูกดีดออกไปในแนวระดับ พบว่า เมื่อใช้แรงมากวัตถุที่ถูกดีดจะตกไกล แต่ตกถึงพื้นพร้อมกับวัตถุที่ตกในแนวดิ่ง แสดงว่า   การเคลื่อนที่ในแนวระดับไม่มีผลต่อการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง   ดังนั้นเราจึงแยกพิจารณาการเคลื่อนที่ออกเป็น  2  แนว คือ ในแนวดิ่ง และในแนวระดับ การเคลื่อนที่ในแนวระดับ      พิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุในอากาศ ขณะที่วัตถุลอยในอากาศ มีแรงกระทำต่อวัตถุเพียงแรงเดียว คือ แรงดึงดูดของโลก ( ไม่คิดแรงต้านอากาศ) ในทิศเข้าสู่ศูนย์กลางของโลก หรือในแนวดิ่ง ดังนั้น ในแนวระดับจึงไม่มีแรงกระทำต่อวัตถุ หรือแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุในแนวระดับเป็นศูนย์        จากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เราพบว่า เมื่อไม่มีแรงลัพธ์มากระทำต่อวัตถุ วัตถุจะรักษาสภาพการเคลื่อนที่ให้คงที่ ผลคือ  
อ่านเพิ่มเติม

บทที่ 2 เวกเตอร์

รูปภาพ
เวกเตอร์ ปริมาณในทางฟิสิกส์ มี 2 ปริมาณ คือ 1. ปริมาณสเกลาร์ (Scalar)  เป็นปริมาณที่บอกขนาดเพียงอย่างเดียว เช่น มวล , อัตราเร็ว , พลังงาน ฯลฯ 2. ปริมาณเวกเตอร์ (Vector)  เป็นปริมาณที่บอกทั้งขนาดและทิศทาง เช่น ความเร็ว , ความเร่ง , การกระจัด , แรง ฯลฯ 1. การรวมเวกเตอร์ การรวมเวกเตอร์ หมายถึง การบวกหรือลบกันของเวกเตอร์ตั้งแต่ 2 เวกเตอร์ ขึ้นไป ผลลัพธ์ที่ได้เป็นปริมาณเวกเตอร์ เรียกว่า เวกเตอร์ลัพธ์ (Resultant Vector) ซึ่งพิจารณาได้ ดังนี้ 1.1 การบวกเวกเตอร์โดยวิธีการเขียนรูป   ทำได้โดยเขียนเวกเตอร์ที่เป็นตัวตั้ง จากนั้นเอาหางของเวกเตอร์ที่เป็นผลบวกหรือผลต่าง มาต่อกับหัวของเวกเตอร์ตัวตั้ง โดยเขียนให้ถูกต้องทั้งขนาดและทิศทาง เวกเตอร์ลัพธ์หาได้โดยการวัดระยะทาง จากหางเวกเตอร์แรกไปยังหัวเวกเตอร์สุดท้าย จากรูป  เวกเตอร์   =  1.2 การบวกเวกเตอร์โดยใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์ ให้ เวกเตอร์  ทำมุมกับ  เป็นมุม q คำนวณหาเวกเตอร์ลัพธ์ได้ ดังนี้ ขนาดของเวกเตอร์ลัพธ์คำนวณได้จากกฎของโคไซน์ ทิศทางของเวกเตอร์ลัพธ์หาได้จาก a = ........................................
อ่านเพิ่มเติม