แรง

45

46

นยิ ามของแรง (Force) กาลเิ ลโอ (Galileo Galilei : ค.ศ. 1564-1642) เป็ นคนแรกที่อธิบายเรื่องของแรงโน้มถ่วงของโลก และการเคล่ือนท่ี ต่อมาเซอร์ไอแซก นิวตนั (Sir Isaac Newton : ค.ศ. 1642-1727) เป็ นผ้ศู ึกษาค้นคว้า เกยี่ วกบั เร่ืองของแรง เป็ นผู้ค้นพบแรงดงึ ดูดระหว่างมวล และต้งั กฎการเคลื่อนท่ขี องแรง ดงั น้นั เพื่อ เป็ นเกยี รตแิ ก่นิวตนั จงึ ใช้หน่วยของแรงเป็ น นวิ ตนั (N) โดยขนาดของแรง 1 นิวตนั จะเป็ นแรงท่ีทาให้มวล 1 กโิ ลกรัม เคลื่อนท่ีไปด้วยความเร่ง 1 เมตร/ วนิ าที2 47

การวดั ขนาดของแรงสามารถวดั ได้โดยใช้ตาช่ังสปริง ซึ่งมขี นาดแตกต่างกนั ออกไป ตามลกั ษณะของการใช้งาน เช่น วดั ค่าได้ต้งั แต่ 0-10 นิวตนั หรือ 0-100 นิวตนั จะแตกต่างกนั ตามการใช้งาน ตาช่ังสปริงอาจจะมรี ูปร่างแตกต่างกนั ไป 48

แรง (Force) เป็ นสิ่งสมมตทิ ใี่ ช้แทนการกระทา เช่น ดงึ หรือผลกั ซ่ึงจะมที ศิ ทางแตกต่างกนั ออกไป การดงึ จะมที ศิ ทางของแรงเข้าหาผู้กระทา ส่วนการผลกั จะมที ศิ ทางออกไปจากผู้กระทา ดงั น้นั การเขยี นแรงจะต้องมที ศิ ทางเป็ นองค์ประกอบ ซ่ึงเราเรียกปริมาณท่มี ที ิศทาง และขนาดว่าปริมาณเวกเตอร์ (Vector) ในการเขยี นแรงทีม่ ากระทาต่อวตั ถุจึงใช้ลกู ศรแทนแรง 49

50

51

ชนิดของแรง ทุกส่ิงทุกอย่างที่เรารู้จกั นคี้ งอย่ไู ม่ได้ถ้าไม่มปี ฏกิ ริ ิยาระหว่างกนั (Interaction) ของ อนุภาคมลู ฐาน คาว่าปฏิกริ ิยาระหว่างกนั และกนั สามารถแบ่งออกได้ 4 ชนดิ 1. แรงดดู (Attractive Force) 2. แรงผลกั (Repulsive Force) 3. การสลาย (Decay) 4. การรวมตวั /ทาลาย (Annihilation) แรงต่างๆ ในโลกนีท้ ุกแรงล้วนจดั ลงอย่ใู น Interaction ท้งั 4 นี้ ไม่ว่าจะเป็ นแรงเสียดทาน แรงดงึ ดดู ของแม่เหลก็ สนามโน้มถ่วง การสลายตวั ของนิวเคลยี ร์ เราเรียกอนุภาคท่ีเป็ นตวั พา Interactions ว่า อนุภาคนาพาแรง (Force Carrier Particles) ในปัจจุบนั นกั ฟิ สิกส์ได้ต้งั ทฤษฎที ่เี รียกว่า The Standard Model ขึน้ เพื่ออธิบายลกั ษณะ ของอนุภาคและปฏิสัมพนั ธ์ของอนุภาคเหล่าน้นั ในรูปแบบ ดงั นี้ 52

1. อนุภาคมูลฐาน (Fundamental Particles) โดยแบ่งอนุภาคมูลฐานได้ 2 ชนดิ คือ 1. อนุภาคสสาร (Matter Particles) ได้แก่ 1.1 ควาร์ก (Quarks) เป็ นอนุภาคทม่ี ปี ระจุไฟฟ้าและสมบัตขิ องการป่ันหมนุ (Spin) แตกต่าง กนั เป็ น 6 ลกั ษณะ คือ up, down, strange, charm, top และ bottom 1.2 เลปตอน (Leptons) อนุภาคชนิดนีจ้ ะมขี นาดเลก็ กว่าอนุภาคทไ่ี ด้จากการรวมตวั ของ ควาร์ก แบ่งได้เป็ น 6 ชนิด คือ อเิ ลก็ ตรอน (Electron) มวิ ออน (Muon) เทา (Tau)อเิ ลก็ ตรอนนวิ ตริโน (Electron Neutrino) มวิ ออนนวิ ตริโน (Muon Neutrino) และเทานิวตริโน (Tau Neutrino) 2. อนุภาคนาพาแรง (Force Carrier Particles) มี 4 ชนดิ 2.1. กราวติ อน (Graviton) 2.2 โฟตอน (Photon) 2.3. โบซอน (Boson) 2.4. กลูออน (Gluon) 53

2. แรงมลู ฐาน (Fundamental Forces) จากอนุภาคนาพาแรง 4 ชนดิ จึงสามารถจาแนกแรงมูลฐานตามธรรมชาตไิ ด้ 4 ชนดิ 1. แรงโน้มถ่วง (Gravitation Force) หรือแรงดงึ ดูดระหว่างมวล แรงชนิดนมี้ กี าลงั อ่อนท่สี ุด แต่เดนิ ทางไปได้ไกลทีส่ ุด อนุภาคทุกตวั จะได้รับแรงนีข้ นึ้ อย่กู บั ขนาดของมวลและพลงั งาน 2. แรงแม่เหลก็ ไฟฟ้า (Electromagnetic Force) เป็ นแรงท่ีทาปฏิกริ ิยากบั อนุภาคท่มี ปี ระจุไฟฟ้า แต่ไม่ทาปฏิกริ ิยากบั อนุภาคท่ีไม่มปี ระจุไฟฟ้า แรงแม่เหลก็ ไฟฟ้ามกี าลงั สูงกว่าแรงโน้มถ่วงมาก ลกั ษณะของแรงทเ่ี กดิ ขนึ้ จะขึน้ อย่กู บั ชนิดของประจุไฟฟ้าและชนิดของข้วั แม่เหลก็ 3. แรงนิวเคลยี ร์ชนดิ อ่อน (Weak Nuclear Force) แรงชนดิ นเี้ กยี่ วข้องกบั การสลายตวั ของอนุภาค ท่มี สี ถานะไม่คงที่ ทเี่ รียกว่าการแผ่กมั มนั ตภาพรังสี เกดิ จากการนาพาแรงของอนุภาคท่ีเรียกว่า โบซอน ซ่ึงมี 3 ชนิด คือ ดบั เบิลยูพลสั (W+) ดบั เบลิ ยูไมนัส (W-) และซีนอท (Z0) โบซอนมมี วลมากจงึ นาพาแรง ได้ไม่ไกลนัก 4. แรงนิวเคลยี ร์แบบเข้ม (Strong Nuclear Force) ทาหน้าทยี่ ดึ เหนี่ยวควาร์กภายในโปรตอน และนิวตรอน และยดึ จับโปรตอนและนิวตรอนภายในนิวเคลยี สของอะตอม อนุภาคทีน่ าพาแรงชนิดนี้ คือ กลอู อน แรงนีใ้ ช้ในการอธิบายการจับตวั ของกลุ่มของโปรตอนซ่ึงมปี ระจุชนดิ เดยี วกนั แต่สามารถ จบั กลุ่มกนั ได้ภายในนวิ เคลยี ส และใช้ในการอธิบายพลงั งานที่เกดิ ขึน้ ในปฏิกริ ิยาที่มกี ารสลายนิวเคลียส ทเ่ี รียกว่า ปฏกิ ริ ิยานวิ เคลยี ร์ 54

แรงชนิดต่างๆ แรงดงึ ดดู ระหว่างมวล แรงดงึ ดดู ระหว่างมวลเป็ นแรงที่เกดิ ขึน้ จากวตั ถุ 2 วตั ถุเกดิ แรงกระทาซ่ึงกนั และกนั นิวตนั สามารถทดลองได้เห็นว่าวตั ถุ 2 วตั ถุดงึ ดดู กนั จนนาไปสู่การอธิบายแรงโน้มถ่วงของโลก แรงดงึ ดดู ของระบบสุริยะ ผลจากการทดลองนวิ ตนั พบว่า ขนาดของแรงดงึ ดดู ระหว่างมวลจะ แปรผนั โดยตรงกบั ขนาดของมวลท้งั 2 และแปรผกผนั กบั กาลงั สองของระยะห่างของมวลท้งั 2 55

56

ตวั อย่าง 57

แรงโน้มถ่วงของโลก (Gravity Force) โลกเป็ นวตั ถุขนาดใหญ่ เมื่อมวี ตั ถุใดๆ อยู่ใกล้โลกจะเกดิ แรงกระทาซ่ึงกนั และกนั ขนึ้ อนั เป็ นผลจากแรงดงึ ดูดระหว่างมวล แต่วตั ถุต่างๆ มขี นาดเลก็ จงึ ถูกโลกดงึ ดดู เข้าหา แรงท่ีโลก ดงึ ดดู วตั ถุต่างๆ เข้าหาจุดศูนย์กลางของโลก 58

59

การเขยี นแรงโน้มถ่วงของโลก แรงโน้มถ่วงของโลกมที ศิ ทางพ่งุ ลงในแนวดงิ่ ไม่ว่า วตั ถุน้นั จะอย่ใู นสภาพใดกต็ าม และเกดิ ท่ีจุดศูนย์ถ่วง ดงั รูป 60

แรงปกติ (Normal Force ,N) แรงตงึ เป็ นแรงทเี่ ป็ นผลมาจากการทีเ่ ชือก เส้นลวดหรือสายเอน็ ยาวๆ ถูกกระทาให้ตงึ โดยการดงึ ที่ปลายท้งั 2 ข้าง ทาให้เกดิ แรงปฏิกริ ิยาจากเชือก เส้นลวดหรือสายเอน็ ไปกระทาต่อ วตั ถุท่ีมากระทาต่อเชือก เส้นลวด สายเอน็ ที่ปลายท้งั 2 ข้าง ดงั น้นั แรงตงึ เชือกจงึ เป็ นแรงที่ จะต้องพจิ ารณาทป่ี ลาย 2 ด้านของเชือก ดงั รูป 61

62

63

แรงปกติ (Normal Force ,N) วตั ถุทุกชิน้ จะถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดงึ ดดู วตั ถุให้ตกไปยงั ผวิ โลก เมื่อวตั ถุไปวางไว้ บนสิ่งใดๆ กจ็ ะเกดิ แรงกดลงบนพืน้ ผวิ น้ัน เนื่องมาจากนา้ หนักของวตั ถุส่งผลให้เกดิ แรงปฏิกริ ิยา จากผวิ ทาหน้าทเ่ี ป็ นแรงทีต่ ้านแรงดงึ ดูดของโลกไม่ให้ตกลงไป แรงปฏิกริ ิยาระหว่างผวิ สัมผสั เรียกว่า แรงปกติ จึงเกดิ ขึน้ เม่ือนาวตั ถุไปวางไว้บนพืน้ ผวิ ใด โดยทิศทางของแรงจะมที ศิ ทางต้งั ฉาก กบั ผวิ สัมผสั โดยลกั ษณะของแรงจะเกดิ ขึน้ ตามลกั ษณะพืน้ ผวิ และวตั ถุที่สัมผสั ผวิ ดงั รูป 64

65

แรงเสียดทาน (Friction Force, f) เมื่อวตั ถุวางอยู่บนพืน้ จะเกดิ แรงระหว่างผวิ สัมผสั ในทศิ ต้งั ฉาก แต่ถ้าวตั ถุเกดิ การเคล่ือนท่ี ผวิ ของวตั ถุกบั พืน้ ท่เี คยสัมผสั กนั อย่เู กดิ แรงยดึ เหนย่ี วกนั จะเกดิ แรงต้านที่จะแยกจากกนั เรียกว่า แรงเสียดทานในทิศตรงข้ามกบั การเคลื่อนท่ี ในทานองเดยี วกนั ถ้าวตั ถุไม่มแี รงมากระทา ให้เคล่ือนท่ีกจ็ ะไม่มแี รงเสียดทานเกดิ ขึน้ ดงั รูป 66

67

68

แรงสปริง (Fs) 69

ตวั อย่าง 70

การแยกแรง การเขียนแรงทก่ี ระทาต่อวตั ถุ จะเป็ นการวเิ คราะห์ตามลกั ษณะของวตั ถุ ดงั น้นั นักเรียนจะต้องฝึ กวเิ คราะห์ว่ามแี รงอะไรกระทาต่อวตั ถุ ต้องเขียนแรงให้ได้ นอกจากนี้ ยงั จะต้องนาแรงทเ่ี ขียนมาหาองค์ประกอบของแรงในแนวแกน x และ y เพื่อใช้ในการ คานวณกฎการเคลื่อนทขี่ องนวิ ตนั ในการหาองค์ประกอบของแรง หรือเรียกว่า การแยกแรงจะเหมือนกบั การแยกเวกเตอร์ไปในแนวแกน x และ y 71

72

การรวมแรง 73

การรวมแรงใน 1 มติ ิ การหาขนาดของแรงลพั ธ์จะพจิ ารณาจากทิศทางของแรง ทศิ ทางของแรงไปทางเดยี วกนั จะนาขนาดของแรงมาบวกกนั ทิศทางของแรงสวนทางกนั จะนาขนาดของแรงมาลบกนั 74

การรวมแรงใน 1 มติ ิ ในกรณที ที่ ิศทางของแรงไม่ได้อย่ใู นแนวเดยี วกนั การหาขนาดของแรงลพั ธ์ จะไม่สามารถนาขนาดของแรงมาบวกหรือลบกนั ได้ จะหาขนาดของแรงลพั ธ์จากการวาดรูป โดยเอาหางของเวกเตอร์ของแรงท่ี 2 ต่อกบั หวั เวกเตอร์ของแรงที่ 1 ต่อเรียงกนั ไป ขนาดของ แรงลพั ธ์จะหาจากเส้นที่ลากจากหางของเวกเตอร์ของแรงท่ี 1 ไปยงั หวั ของเวกเตอร์ ของแรงสุดท้าย 75

76

การรวมแรงโดยการแยกแรง เป็ นการรวมแรงหลายแรงทกี่ ระทาต่อวตั ถุโดยการแยกแรงไปในแนวแกน x และ y แล้วหาผลรวมในแต่ละแกนทาให้ง่ายต่อการรวมแรง เพราะเม่ืออยู่ในแกนเดยี วกนั ถ้าไปทาง เดยี วกนั นามาบวกกนั ถ้ามที ศิ ตรงกนั ข้ามนามาลบกนั 77

78

79

80