E-book เรื่อง แรง

ใบความรู้ เรื่อง แรง ความหมายของแรง แรง ตามความหมายของพจนานุกรมฉบับราชบัณฑิตยสถาน พ.ศ. 2554 หมายถึง อิทธิพลภายนอกใดๆ ท่ีเปล่ียนแปลงหรือพยายามทาให้เกิดการเปล่ียนแปลงสถานะอยู่น่ิงหรือ สถานะการเคลอ่ื นทขี่ องเทหวัตถดุ ้วยอตั ราเร็วสม่าเสมอในแนวเสน้ ตรง แรงแบง่ ออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ แรงที่เกิดจากธรรมชาติ เช่น แรงลม แรงดันนา แรงโน้มถว่ ง แรงแม่เหล็ก ฯลฯ และแรงท่เี กดิ จากการกระทาของมนุษย์ หมายถึง แรงท่ีเกิดจาก การออกกาลังของมนุษย์อาจเป็นแรงจากกล้ามเนือ เช่น การขว้าง แรงดึง แรงผลัก การยกของ ฯลฯ รวมถึงแรงจากเครื่องกล เช่น รถยนต์ เรือ เครื่องบิน และยังมีแรงท่ีเกิดจากแรงผ่อน ทัง้ หลาย เช่น ลูกรอก คานดดี คานงัด ฯลฯ วตั ถุต่างๆ เม่ือมีแรงมากระทาจะมีการเปล่ียนแปลง สภาพเดิมใน 3 ลกั ษณะดงั นี 1. มีการเปลยี่ นแปลงตาแหนง ทาใหว้ ตั ถุทีอ่ ยู่นิง่ เคลื่อนที่ 2. มีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ทาใหว้ ตั ถทุ ีก่ าลงั เคล่ือนท่ีมคี วามเร็วเพิ่มขึนหรือชา้ ลง หรือเปลีย่ นทศิ ทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ โดยแรงท่ีกระทาในทิศทางเดียวกับการเคล่ือนท่ี จะทาให้ วัตถุมีความเรว็ เพ่มิ ขนึ และแรงท่กี ระทาในทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนท่ี จะทาให้วัตถุมีความเร็ว ลดลง 3. มีการเปลย่ี นแปลงรูปรางและขนาด เมือ่ แรงกระทาต่อวัตถุแตกต่างกันยอ่ มเกดิ ผล ของการเปล่ียนแปลงแตกต่างกันไปถ้าแรงท่ีกระทามีค่ามาก การเปลี่ยนแปลงท่ีเกิดกับวัตถุนันก็จะ มากขนึ ดว้ ย ภาพที่ 3.1 เครอ่ื งจักรฉดุ ลากขบวนรถไฟ เปน็ แรงที่กระทาตอ่ วตั ถทุ าใหเ้ กิดการเคลอ่ื นท่ี

ชนิดของแรง แรงมีหลายชนิด ในหนว่ ยการเรยี นรูน้ ขี อกลา่ วถงึ บางส่วน ไดแ้ ก่ แรงปฏิกิริยา คือ แรงที่มีขนาดเท่ากับแรงกิริยาและอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน (collinear) แต่มที ศิ ทางตรงกันข้าม แรงทงั คู่ปรากฏในควู่ ัตถทุ มี่ อี นั ตรกริ ยิ า (interaction bodies) แรงควบคู คือ โมเมนต์ที่เกดิ จากการกระทาต่อวัตถุของแรง 2 แรง ท่ีไม่อยู่ในแนวแรง เดียวกนั โดยแรงทังสองมขี นาดเทา่ กัน แตท่ ิศทางตรงกันข้าม แรงดึงดูด คือ แรงระหว่างเทหวัตถุ 2 ชินท่ีดึงหรือพยายามดึงให้เทหวัตถุทัง 2 เคลอื่ นที่เขา้ ใกล้กัน ตา้ นหรอื พยายามตา้ นการแยกเทหวัตถทุ งั 2 ออกจากกัน แรงสูศูนย์กลาง คือ แรงที่กระทาต่อเทหวัตถุในขณะที่เทหวัตถุนันเคลื่อนที่เป็นวงกลม แรงนีมีแนวทศิ เขา้ สูจ่ ุดศนู ย์กลางของทางวงกลมนันและมขี นาดเทา่ กับแรงหนศี นู ยก์ ลาง แรงต้าน คือ แรงท่ีมีทิศทางต้านทิศทางการเคล่ือนท่ี ทาให้วัตถุไม่เกิดการเคล่ือนที่หรือ ทาให้วัตถุทเ่ี คลือ่ นทอ่ี ยู่มกี ารเคลือ่ นทีช่ ้าลง เช่น แรงตา้ นอากาศ แรงเสียดทาน แรงเสยี ดทาน คือ แรงเสยี ดสีระหว่างผิววัตถุท่มี ีการเคล่ือนท่ี แบ่งเปน็ แรงเสียดทานสถิต คือ แรงเสียดทานที่เกิดขณะที่มีแรงมากระทาแล้ววัตถุอยู่น่ิงอยู่กับท่ี และแรงเสียดทานจลน์ คือ แรงเสียดทานทเี่ กิดขนึ ในขณะท่มี แี รงมากระทาตอ่ วตั ถุ แล้ววตั ถุเคลื่อนทด่ี ว้ ยความเร็วคงที่ แรงโน้มถวง คอื แรงทเ่ี กิดกบั วัตถใุ นสนามโนม้ ถว่ ง คานวณไดจ้ ากสมการ F = mg เมอ่ื m = มวลของวตั ถุ g = ความเรง่ เน่ืองจากแรงโน้มถ่วงของโลก มีคา่ เทา่ กบั 9.8 m/s2 แรงเหว่ียง คอื แรงหนศี ูนย์กลาง แรงยอย คือ แรงทเี่ ป็นสว่ นประกอบของแรงหลายๆ แรง แรงเฉอื่ ย คอื ผลคูณระหวา่ งมวลของวตั ถทุ ่ีเคล่ือนท่กี ับความเรง่ แรงเฉื่อยทส่ี มมติขนึ เพอื่ ใหเ้ กิดสมดุลเชิงพวัต จะมขี นาดเทา่ กับแรงท่ีกระทาจริง แต่มที ศิ ทางตรงกันขา้ ม แรงลัพธ์ คือ แรงทเี่ กดิ จากการรวมแรงตา่ งๆ ตามกฎสเี่ หลี่ยมดา้ นขนาน แรงกระจาย คือ แรงทกี่ ระทาทว่ั พืนท่ผี วิ สัมผัสหน่ึง

ภาพที่ 3.2 แรงโนม้ ถ่วง ภาพที่ 3.3 แรงสศู่ ูนยก์ ลาง ภาพที่ 3.4 แรงหนีศนู ย์กลาง ภาพท่ี 3.5 แรงปฏิกิรยิ า

ภาพที่ 3.6 แรงคู่ควบ ขวั แม่เหลก็ ต่างกันจะออกแรงดดู กนั ขัวแม่เหล็กเหมอื นกนั จะออกแรงผลักกนั ภาพท่ี 3.7 แรงดึงดูด ภาพที่ 3.8 แรงตา้ นอากาศ

ภาพท่ี 3.9 แรงเสียดทาน ภาพท่ี 3.10 แรงย่อย ภาพที่ 3.11 แรงลัพธ์

ภาพท่ี 3.12 แรงกระจาย แสดงคานทรี่ บั ภาระการกระจายอยา่ งสม่าเสมอ แรงโน้มถวงของโลก แรงโนม้ ถว่ งของโลกเป็นแรงดงึ ดดู ซึง่ โลกกระทาตอ่ วัตถุทกุ ชิน เป็นแรงทยี่ ดึ เหน่ยี ววัตถุให้ ยึดติดอย่กู บั พืนโลก โดยมที ศิ ทางดงึ ดดู เข้าสศู่ นู ย์กลางของโลก ทาให้วตั ถุต่างๆ ท่ีปล่อยจากทส่ี งู จะ ตกลงสู่ผิวโลกเสมอ กาลิเลโอ กาลเิ ลอิ (Galileo Galilei ค.ศ. 1564 -1642) นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวอิตา เลยี น ไดท้ ดลองปล่อยวตั ถุทม่ี มี วลต่างกัน 2 ชนิ จากยอดหอเอนปซิ า ในเวลาพร้อมกนั ซึ่งวตั ถุดงั กล่าวไดต้ กลงมาภายใตแ้ รงโนม้ ถว่ งโลก และถงึ พนื พร้อมๆ กัน ทาให้เขาสรปุ วา่ วัตถุทเี่ คล่ือนท่ภี ายใต้ แรงโน้มถ่วงของโลกนันจะเคลอื่ นที่โดยมีความเรงเทากนั ไมว่ ่า วตั ถนุ นั จะมีมวลเท่าใดก็ตาม กล่าวอกี นัยหนึ่งคือ วตั ถใุ ดๆ เมือ่ ปล่อยจากทีส่ งู เท่ากัน จะตกลงส่พู นื ผิวโลกพรอ้ มกนั ภาพท่ี 3.13 กาลิเลโอ กาลิเลอิ เซอร์ไอแซก นวิ ตัน (Sir Isaac Newton ค.ศ. 1642 -1726) นักคณิตศาสตร์ และนกั ฟสิ ิกส์ชาวองั กฤษ เป็นผูค้ ้นพบกฎแรงดงึ ดูดของโลก (Law of Gravitation) จากการทเ่ี ขาตดิ ใจในปริศนาทวี่ ่า แรงอะไรทาให้ผลแอปเปิลตกสู่พืนดินและทาไมวตั ถตุ ่างๆ จึงตอ้ งตกลงสพู่ ืนดนิ เสมอ โดยนวิ ตนั ไดอ้ ธิบายเกย่ี วกบั แรงดงึ ดดู ของโลกไว้วา่ วตั ถทุ กุ อย่างจะออกแรงดงึ ดูดซึ่งกันและกนั เหมือนกบั แรงโน้มถว่ งของโลกทกี่ ระทาต่อวัตถุทุกอยา่ งในโลก ภาพที่ 3.14 เซอร์ไอแซก นิวตนั แรงโน้มถ่วงของโลกที่มีต่อวัตถุจะมากหรือน้อยขึนอยู่กับขนาดมวลของวัตถุ ถ้าวัตถุใดมี มวลมากแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทาต่อวัตถุนันก็จะมาก ในทางกลับกันถ้าวัตถุใดมีมวลน้อย แรง โนม้ ถว่ งของโลกทีก่ ระทาตอ่ วัตถนุ ันก็จะน้อยเชน่ กัน แรงโน้มถว่ งของโลกท่ีกระทาต่อมวลของวัตถุ ก็ คอื นาหนักของวัตถุ โดยที่นาหนักของวัตถุเกิดจากความเร่งเน่ืองจากแรงโน้มถ่วงของโลกมากระทา ตอ่ มวลของวตั ถุ เขียนเปน็ สมการได้ดังนี W = mg เมื่อ W = นาหนักของวัตถุ มหี นว่ ยเปน็ นิวตนั (N) m = มวลของวตั ถุ มหี นว่ ยเป็นกโิ ลกรมั (kg)

g = ความเรง่ เน่อื งจากแรงโน้มถว่ งของโลก มีคา่ ประมาณ 9.8 m/s2 แรงเสยี ดทาน แรงเสียดทาน (Friction) เป็นแรงที่ต้านการเคล่ือนท่ีของวัตถุโดยมีทิศทางตรงข้ามกับ วัตถทุ เ่ี คลอื่ นทีไ่ ป แรงเสยี ดทานมี 2 ชนิด ได้แก่ แรงเสียดทานสถิต (Static friction) คือ แรง เสียดทานที่เกิดขึนระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ ในสภาวะท่ีวัตถุได้รับแรงกระทาแล้วอยู่น่ิง และแรง เสียดทานจลน์ (Kinetic friction) คือ แรงเสยี ดทานท่เี กดิ ขนึ ระหวา่ งผวิ สมั ผัสของวัตถุ ในสภาวะ ท่ีวตั ถุได้รบั แรงกระทาแลว้ เกดิ การเคล่อื นทด่ี ว้ ยความเร็วคงที่ ในชีวิตประจาวันของผเู้ รยี นจะมแี รงเสียดทานเขา้ มาเกี่ยวข้องตลอดเวลา เช่น ผิวรองเท้า กบั พนื ถนนหรอื ผวิ ถนนกับยางรถยนต์ หรือไม่ว่าจะเป็นการเดินหรือลากวัตถุต่างๆ บนพืนผิวต่างๆ โดยท่เี มอื่ พนื ท่ผี วิ ที่ตา่ งกันจะมแี รงเสยี ดทานมากหรอื น้อยต่างกัน ภาพที่ 3.16 คนเลน่ สเก็ตนาแข็ง

ภาพที่ 3.17 คนวิง่ บนพืนซเี มนต์ ปจั จยั ท่มี ีผลตอแรงเสยี ดทาน ไดแ้ ก 1. นาหนกั ของวัตถุ โดยหากนาหนกั ของวตั ถุมาก แรงทก่ี ดลงบนพนื ผิวกจ็ ะมาก แรง เสียดทานที่เกิดขึนกจ็ ะมมี ากกว่าวัตถุที่มนี าหนกั กดทบั ลงบนพืนผิวน้อย 2. พนื ผิวสมั ผัส ผวิ สัมผัสที่เรียบและลืน่ จะเกดิ แรงเสยี ดทานน้อยกวา่ ผิวสัมผสั ทขี่ รุขระ ภาพท่ี 3.18 ปจั จยั ทส่ี ่งผลตอ่ แรงเสียดทาน สมบตั ขิ องแรงเสยี ดทาน 1. เม่ือวัตถไุ ม่มแี รงภายนอกมากระทาแรงเสียดทานจะมคี า่ เป็นศนู ย์ 2. เมอ่ื วัตถุมแี รงภายนอกมากระทาและวตั ถยุ ังไม่เคลื่อนท่ี แรงเสยี ดทานท่ีเกิดขึนจะมี ขนาดตามขนาดของแรงทีม่ ากระทา และแรงเสยี ดทานท่มี ีค่ามากท่ีสดุ คอื แรงเสียดทานสถิต เปน็ แรงเสยี ดทานทเี่ กิดขนึ เมือ่ วัตถุเริ่มเคลื่อนที่ 3. แรงเสียดทานมที ิศทางตรงกันข้ามกับการเคล่อื นทข่ี องวตั ถุ 4. แรงเสียดทานไม่ขึนอยกู่ ับขนาดหรอื พนื ที่ของผิวสัมผัส ภาพท่ี 3.19 แรงเสยี ดทานระหว่างพนื และรองเท้า

แรงเสยี ดทานมที งั ประโยชน์และโทษ โดยประโยชน์ของแรงเสียดทาน คือ ช่วยให้ไม่หก ลม้ เวลาวงิ่ มปี ระโยชน์ต่อการทรงตวั และดารงชวี ิต หรือทาให้ยานพาหนะต่างๆ เกาะติดถนนได้ดีขึน ช่วยใหไ้ มเ่ กดิ อบุ ตั เิ หตุบนทอ้ งถนนได้งา่ ย เป็นแรงต้านในการป้องกนั ผู้เรียนจากอบุ ตั เิ หตุต่างๆ แต่ถ้า หากวา่ แรงเสียดทานมมี ากเกนิ ไปก็สามารถเปน็ โทษได้ ซึ่งโทษของแรงเสียดทานคือ ตอ้ งเสยี พลังงาน เพ่ือไปหกั ลา้ งแรงต้านทาน เช่น เคร่ืองบินต้องใช้นามันลบล้างความฝืดของอากาศโดยเฉพาะที่สูงๆ ย่งิ แรงเสยี ดทานมากกย็ ง่ิ เปลืองนามนั มาก หรอื การตอกตะปูท่ีต้องใช้ค้อนตีตะปูเพื่อลบล้างความผิด แรงเสยี ดทานท่ีมากเกนิ ทาให้การเคลอื่ นทเี่ ปน็ ไปไดย้ ากขึน ดงั นนั จงึ ได้มกี ารคิดคน้ อปุ กรณท์ ชี่ ่วยในการลดแรงเสยี ดทาน เชน่ นามันลอ่ เลอ่ื น การ เคลือบผิวสมั ผสั ให้เรียบลน่ื เปน็ ต้น