แรงและการเคลื่อนที่

แรง และ การเคลื่อนท่ี

ผลของแรงลพั ธก์ ระทำต่อวตั ถุ แรงและกำรเคลือ่ นท่ี ในแต่ละวนั มนุษย์ต้องใชแ้ รงเพื่อทำ กิจกรรมตำ่ งๆ มำกมำย เชน่ กำร เคลอ่ื นย้ำยวตั ถุ สง่ิ จองเครอื่ งใชต้ ำ่ ง ๆ เปน็ ตน้ ถ้ำสง่ิ ของน้นั หนักและมขี นำด ใหญม่ ำก ก็ตอ้ งออกแรงมำกหรืออำจใช้ แรงจำกแหล่งตำ่ งๆ มำชว่ ยในกำรผ่อน แรง

แรงและการเคลอื่ นท่ี กำรออกแรงกรณีใด ๆจะมผี ลทำใหว้ ัตถุทถี่ ูกแรงกระทำ มี ลักษณะดงั ต่อไปน้ี 1. ทำใหว้ ตั ถทุ อ่ี ยนู่ ่งิ เกดิ กำรเคลือ่ นที่ แชน่ กำรออกแรงเตะ ลกู ฟุตบอล กำรเคล่อื นย้ำยสง่ิ ของเครือ่ งใช้ตำ่ งๆ เปน็ ต้น 2. ทำให้วัตถุทีก่ ำลังเคลื่อนทอ่ี ยู่เปลย่ี นทิศทำงในกำร เคลือ่ นท่ีหรือหยุดนงิ่ เช่นผรู้ กั ษำประตปู ัดหรอื รบั ลูกฟุตบอล ทถ่ี กู เตะมำ เป็นตน้ 3. ทำให้วัตถเุ ปลี่ยนรปู รำ่ งไปจำกเดมิ เช่นกำรปนั้ ดนิ เหนยี ว ใหเ้ ป็นรปู ร่ำงตำ่ ง ๆ เปน็ ต้น

แรงลพั ธ์และการใชป้ ระโยชน์ กำรออกแรงกระทำตอ่ วตั ถโุ ดยกำรออกแรงดงึ วัตถุ หรือกำรออก แรงผลกั วตั ถุ อำจมผี ลต่อกำรเคลอ่ื นทีข่ องวัตถุ เชน่ เมื่อออกแรงดึงเกำ้ อี้ หรอื ออกแรงผลกั เกำ้ อ้ีจะทำให้เก้ำอเ้ี คลอ่ื นที่ กำรออกแรงลำกวัตถุใหเ้ คลื่อนที่ไปได้นั้นทำได้หลำยวธิ ี ถ้ำหำกมีคนสองคน ชว่ ยกนั ออกแรงลำก กจ็ ะทำใหโ้ ต๊ะเคลอ่ื นท่ไี ดง้ ำ่ ยข้นึ แสดงว่ำเม่ือคนสองคน ออกแรงลำกวัตถุไปในทำศทำงต่ำง ๆ กนั จะทำให้เกดิ แรงรวมขนึ้ เรยี กว่ำ แรงลพั ธ์ แรงลัพธ์ เกิดจำกแรงหลำยแรงมำกระทำกับวตั ถชุ ิ้นหน่ึง ถำ้ ผลของ แรงหลำยแรงท่ีกระทำกับวัตถุน้ัน ไมท่ ำให้วตั ถเุ ปล่ยี นแปลงกำรเคลือ่ นท่ี อำจกล่ำวไดว้ ำ่ แรงลัพธ์ทีเ่ กิดข้นึ น้นั มีค่ำเปน็ ศนู ย์ *แรง มหี น่วยเปน็ นิวตนั

แรงกิรยิ าและแรงปฏกิ ริ ยิ า แรงทีเ่ กดิ ขึ้นทผ่ี วิ สมั ผัสของวัตถุต่ำง ๆ ซงึ่ ตำ้ นกำรเคล่อื นทีข่ องวตั ถุ เรียกวำ่ แรงเสยี ดทำน เเรงชนดิ น้เี ป็นแรงทข่ี ึ้นกบั ผวิ สมั ผสั ของวตั ถุ ถำ้ เปลีย่ น ผวิ สมั ผสั ของวัตถุ จะทำให้แรงเสียดทำนทเ่ี กดิ ขึน้ เปลี่ยนแปลงไปดว้ ย เชน่ แรง เสียดทำนทเี่ กิดขึ้นระหว่ำงไมก้ ับเหรยี ญ จะแตกตำ่ งจำกแรงเสยี ดทำนทเ่ี กดิ ข้นึ ระหวำ่ งกระดำษทรำยกบั เหรียญ ผลของแรงเสยี ดทาน แรงเสียดทำนทำให้เกิดประโยชน์ และโทษตอ่ กำรดำรงชวี ติ ของมนุษยม์ ำกมำย เชน่ กำรเดินหรือว่ิงแรงเสยี ดทำนท่เี กดิ ขนึ้ ท่เี ทำ้ หรอื พ้นื รองเท้ำ กบั พืน้ ถนนทำ ให้มนษุ ยส์ ำมำรถเคล่ือนที่ได้ โดยไมล่ น่ื ล้ม แรงเสียดทำนที่เกิดขนึ้ ท่ผี ิวยำงของล้อรถกบั พ้นื ถนน ทำให้รถสำมำรถเคลอื่ นท่ี ไปขำ้ งหน้ำได้ และยังชว่ ยให้หยุดรถไดง้ ่ำยดว้ ย บำงครั้งแรงเสียดทำนก็ทำให้เกดิ อนั ตรำยและเปน็ โทษตอ่ มนุษย์ได้ เชน่ แรง เสยี ดทำนทำให้เกดิ ควำมรอ้ นขน้ึ มำ ซงึ่ อำจเปน็ สำเหตทุ ีท่ ำใหเ้ กดิ ไฟไหม้ป่ำข้ึนได้

แรงกับการเคลอื่ นท่ขี องวตั ถุ (แรงทก่ี ระทาตอ่ วัตถ)ุ กำรออกแรงกระทำต่อวตั ถอุ ำจทำให้วัตถุเคลอื่ นทไี่ ด้ หรือวัตถุ อำจไมเ่ คล่ือนที่ เนอ่ื งจำกมแี รงยอ่ ยอน่ื มำรว่ มกระทำ ทำให้เกิด กำรหักลำ้ งของแรงในปรมิ ำณเวกเตอร์ ดังน้ันวตั ถุทจ่ี ะเคลอื่ นที่ ได้หรอื ไม่ไดก้ ข็ น้ึ อยกู่ ับแรงลพั ธท์ ่ีมำกระทำตอ่ วัตถนุ น่ั เอง เมื่อออกแรงกระทำตอ่ วัตถุแลว้ วตั ถไุ ม่เคลอื่ นที่ เนือ่ งจำกถกู หักลำ้ งดว้ ยแรงอน่ื ทีร่ ว่ มกระทำตอ่ วตั ถุนน้ั แตไ่ ม่ว่ำวัตถุนั้นจะ เคล่อื นท่ีหรอื ไมเ่ คล่ือนทีก่ ็ตำมจะเกดิ แรงลัพธ์ของวตั ถเุ สมอ

เมือ่ มีแรงกระทำต่อวตั ถุทำให้วัตถุเคลื่อนทีส่ ำมำรถ วดั อัตรำเรว็ หรือขนำดของควำมเร็วของกำรเคลอื่ นทไี่ ด้จำก กำรใชเ้ คร่อื งเคำะสัญญำณเวลำ วัตถทุ เ่ี คลื่อนทโี่ ดยมี ควำมเรว็ เปล่ียนไป เรยี กว่ำ วตั ถเุ คลอ่ื นท่โี ดยมคี วำมเร่ง โดย ควำมเรง่ จะมีทศิ เดียวกบั ทิศของแรงลพั ธ์ทีก่ ระทำตอ่ วัตถุ กำรเคลือ่ นท่ีของวตั ถุนอกจำกจะเคลอ่ื นท่ใี นแนวตรงแลว้ ยัง มีกำรเคลือ่ นท่แี บบอน่ื อีก เชน่ กำรเคลอ่ื นท่แี บบโพรเจคไทล์ ซง่ึ เปน็ กำรเคลื่อนท่แี นวโคง้ โดยได้ระยะทำงในแนวรำบและ แนวดง่ิ พรอ้ มๆ กนั กำรเคลือ่ นที่ในแนววงกลม เปน็ กำร เคล่อื นทท่ี ่ีมแี รงกระทำต่อวตั ถใุ นทศิ เข้ำสูศ่ ูนย์กลำง

แรงชนดิ ตา่ ง แรงลพั ธ์ หรอื แรงรวม หมำยถงึ ผลรวมของแรงยอ่ ยแบบเวกเตอร์ ของแรงทงั้ หมดท่กี ระทำต่อวัตถุ ถ้ำแรงลพั ธม์ ีค่ำเป็นศนู ย์ แสดงว่ำ วัตถุไมม่ ีกำรเคลือ่ นทอี่ นั เนือ่ งมำจำกแรงที่มำกระทำต่อวัตถุ แรงยอ่ ย หมำยถึง แรงท่ีเป็นองคป์ ระกอบของแรงลัพธ์ การหาค่าแรงลัพธ์จากเวกเตอร์ เมือ่ แรงยอ่ ยมที ศิ ทำงเดียวกนั ใหน้ ำแรงยอ่ ยมำรวมกนั สำมำรถ เขียนเวกเตอรแ์ ทนแรงไดด้ ว้ ยเส้นตรงและหัวลูกศร เมื่อแรงยอ่ ยมที ิศทำงตรงกนั ข้ำม ใหน้ ำคำ่ ของแรงย่อยมำหักล้ำงกนั เวกเตอร์ของแรงลพั ธ์จะมที ิศไปทำงแรงท่ีมำกกว่ำ คำ่ ของแรงลัพธ์ เทำ่ กับผลตำ่ งของแรงยอ่ ยทัง้ สอง

การเขยี นปริมาณเวกเตอร์ เขียนแทนด้วยเสน้ ตรงท่ีมีหัวลกู ศรกำกบั ควำมยำวของเสน้ ตรงแทนขนำดของเวกเตอร์ และหัวลกู ศรแทนทศิ ทำง ของเวกเตอร์ กำรเขยี นสญั ลกั ษณข์ องเวกเตอรเ์ ขยี นไดห้ ลำยแบบ เช่น เวกเตอร์ A สำมำรถเขยี นสัญลกั ษณแ์ ทนเป็น หรือ a การหาแรงรวมหรอื แรงลพั ธด์ ว้ ยการเขียนรปู 1. ใชเ้ ส้นตรงแทนขนำดของแรงและใชล้ กู ศรแทนทิศของแรง 2. เรมิ่ ตน้ ด้วยแรงตัวท่ี 1 แลว้ นำแรงตวั ท่ี 2 มำชนโดยให้หำงลูกศรของ แรงตัวท่ี 1 ชนกบั หัวลกู ศรของแรงตัวท่ี 1 ตอ่ กันเชน่ นี้เรื่อยไป

แรงพยุง จำกกฏควำมโน้มถว่ งของนิวตัน แรงโน้มถ่วง (gravity) ของโลก ที่กระทำกบั วัตถมุ วลใดๆ ในท่ีนจ้ี ะศกึ ษำควำมสมั พนั ธร์ ะหวำ่ งมวลและ นำ้ หนักของมวล วำ่ แรงสำมำรถทำให้วัตถเุ ปลี่ยนรูปรำ่ งหรือเปลีย่ น สภำพกำรเคลอ่ื นที่ เช่น ถ้ำปล่อยมือจำกวตั ถทุ ่ีถอื ไว้ วัตถุจะ เปลย่ี นแปลงสภำพกำรเคล่อื นทีต่ กลงสูพ่ ื้นเนื่องจำกมีแรงดึงดดู ของ โลกท่กี ระทำตอ่ วตั ถุ หรือทเี่ รยี กว่ำ แรงโน้มถ่วงของโลก โดยแรงนีจ้ ะมี คำ่ มำกหรอื น้อยนัน้ ขนึ้ อยกู่ ับมวลของวตั ถนุ นั้ ๆ โดยวัตถทุ ม่ี มี วลมำกก็ จะมีนำ้ หนักมำก วัตถุท่มี ีมวลน้อยกจ็ ะมีนำ้ หนกั น้อย ประโยชน์ท่ไี ด้จากแรงโนม้ ถ่วงของโลก เชน่ ทำให้วัตถุตำ่ งๆ ไมล่ อยออกไปนอกโลก ทำให้นำ้ ไหลจำกที่สูงลงสทู่ ต่ี ่ำและใชพ้ ลงั งำน ของน้ำในกำรผลิตกระแสไฟฟ้ำ

มวล คือ ปริมำณเนอื้ ของสำรซงึ่ มีคำ่ คงตัว มีหน่วย เป็นกโิ ลกรมั นาหนกั ของวัตถบุ นโลก เกดิ จำกแรงดงึ ดดู ระหว่ำง มวลของวตั ถุและโลก น้ำหนกั ของวัตถุชิ้นหน่งึ ๆ เมื่อชั่งในปรมิ ำณตำ่ งกันจะ มคี ่ำต่ำงกนั โดยน้ำหนักของมวล 1 กิโลกรัมที่บรเิ วณ เสน้ ศูนย์สตู รมีคำ่ ประมำณ 9.78 นิวตนั ในขณะที่ นำ้ หนกั ของมวล 1 กิโลกรัม ทีบ่ รเิ วณขัว้ โลกมี คำ่ ประมำณ 9.83 นวิ ตนั

แรงเสยี ดทาน แรงเสยี ดทาน (friction) หมำยถึง แรงทีต่ ่อตำ้ นกำรเคล่อื นทขี่ องวัตถุ แรง เสียดทำนเกดิ ข้นึ ระหวำ่ งผิวสัมผสั ของวัตถกุ ับผวิ ของพนื้ เช่น เมอ่ื เรำเขน็ รถเขน็ เด็ก ปจั จัยท่มี ีผลต่อแรงเสยี ดทำน คอื นำ้ หนกั ของวัตถุ วัตถทุ ่มี นี ้ำหนักกดทับลงบนพื้นผิวมำกจะมีแรงเสยี ดทำน มำกกว่ำวัตถุทม่ี นี ำ้ หนกั กดทบั ลงบนพ้ืนผวิ นอ้ ย พืน้ ผิวสมั ผสั ผวิ สมั ผัสท่เี รยี บจะเกดิ แรงเสยี ดทำนนอ้ ยกวำ่ ผิวสัมผัสที่ ขรุขระจำกน้นั นอ้ งๆ ดกู ำรทดลองเร่อื งแรงต้ำนทำนกำรเคล่ือนทขี่ องวตั ถุ

ความตา่ งมวลของวัตถกุ ับแรงเสยี ดทาน \"แรงเสยี ดทำนจะมคี ่ำเพม่ิ ขึน้ เม่ือจำนวนถงุ ทรำยเพิ่มขน้ึ เพรำะเมอ่ื จำนวน ถงุ ทรำยเพ่ิมขน้ึ แรงท่ถี ุงทรำยกดพ้ืนกจ็ ะมำกข้ึนดว้ ย แสดงว่ำ แรงเสียด ทำนระหว่ำงวตั ถคุ ูห่ นงึ่ ๆ จะมำกขนึ้ กบั แรงท่ีวัตถุกดพื้นมีคำ่ มำกข้ึน ประเภทของแรงเสียดทาน แรงเสียดทำนแบ่งออกเปน็ 2 ประเภท คือ แรงเสียดทำนสถิต (fs) เปน็ แรงเสียดทำนท่ีเกิดขึน้ ในขณะทว่ี ัตถุอยนู่ ง่ิ จนถงึ เร่ิมตน้ เคลอื่ นที่ แรงเสียดทำนจลน์ (fk) เปน็ แรงเสียดทำนขณะวัตถุกำลงั เคลื่อนท่ีดว้ ย ควำมเร็วคงตวั ซึ่งจะมคี ำ่ น้อยกว่ำแรงเสียดทำนสถิต

แรงเสียดทำนมีท้ังประโยชน์และโทษ บำงคร้ังในชีวติ ประจำวนั เรำกไ็ ดป้ ระโยชน์จำก แรงเสยี ดทำน กำรเกดิ ควำมฝืดช่วยในกำรเดินไดเ้ รว็ และไมล่ นื่ เป็นต้น ประโยชนแ์ ละโทษของแรงเสยี ดทาน มนษุ ย์เรำมีควำมรู้เกย่ี วกบั แรงเสยี ดทำนมำใชป้ ระโยชน์ เพื่ออำนวยควำมสะดวกใน ชีวติ ประจำวัน ดงั นี้ ช่วยให้รถเคลื่อนทีไ่ ปขำ้ งหน้ำได้ ยำงรถจึงมรี ่องยำงช่วยเพ่ิมประสทิ ธภิ ำพกำรยึด เกำะถนนท่ีเรยี กวำ่ ดอกยำง ช่วยให้รถถอยหลงั ได้ ยำงรถยนต์จงึ มลี วดลำยดอกยำงเพอ่ื ช่วยในกำรยึดเกำะถนน กำรเดนิ บนพ้นื ตอ้ งอำศัยแรงเสยี ดทำน จงึ ควรใช้รองเท้ำทม่ี พี ้นื เปน็ ยำงและมี ลวดลำยขรขุ ระ ไม่ควรใช้รองเทำ้ แบบพ้นื เรยี บ แรงเสยี ดทำนน้อยจะทำให้ลนื่ นกั ว่ิงเร็วท่ใี ช้รองเทำ้ พ้ืนตะปู เพ่อื เพิ่มแรงเสยี ดทำน ทำใหม้ ีแรงยดึ เกำะกบั พ้ืนผวิ ลู่ ว่งิ ชว่ ยใหว้ ่ิงได้เรว็ ข้ึน

โทษของแรงเสยี ดทาน แรงเสยี ดทำนทำใหส้ ิ้นเปลอื งพลงั งำนและทำให้ เกดิ กำรสึกหรอของอปุ กรณต์ ำ่ งๆ ในเครอ่ื งจกั ร ดงั นน้ั กำรหำวธิ ีลดแรงเสียดทำน เพื่อรกั ษำ ประสทิ ธภิ ำพในกำรทำงำนของเคร่ืองจกั รกล ท้งั หลำย คือ

โมเมนต์ของแรงเสยี ดทาน โมเมนต์ (moment) เปน็ ควำมสำมำรถของแรงในกำรหมนุ วตั ถุ รอบจดุ หมนุ ขนำดของโมเมนตห์ ำได้จำก แรงคณู กบั ระยะทำงตงั้ ฉำกจำกจดุ ทีแ่ รงกระทำไปยังจุดหมุน เม่ือมีแรงภำยนอกมำกระทำตอ่ วัตถุ โดยแนวแรงไม่ผ่ำนจดุ ศนู ยก์ ลำงมวล วัตถุนัน้ จะหมุนรอบๆ จดุ ศูนย์กลำงมวล ผลของ กำรเกดิ ขึน้ เรยี กวำ่ โมเมนต์ เชน่ กำรปน่ั จักรยำน กำรเปิดฝำขวด กำรเปดิ ประตู เป็นตน้

กฎของโมเมนต์ เมื่อวตั ถุหนึ่งถกู กระทำด้วยแรงหลำยแรง ซ่ึงแรงกระทำน้ันๆ ทำให้วตั ถุอยใู่ น ภำวะสมดลุ (ไม่เคล่ือนที่และไม่หมนุ ) พบว่ำ ผลรวมของโมเมนต์ทวนเขม็ นำฬิกำ = ผลรวมของโมเมนต์ตำมเขม็ นำฬกิ ำ กำรนำหลกั โมเมนต์ไปใช้ประโยชนก์ ับเครื่องกลประเภทคำน และได้แบ่งตำม ตำแหน่งของจุดหมุน แรงพยำยำม และแรงต้ำนทำนเป็น 3 อันดับ คอื จุดหมุนอยรู่ ะหวำ่ งแรงพยำยำมและแรงต้ำน (คำนอนั ดบั 1) แรงต้ำนทำนอยู่ระหว่ำงจดุ หมนุ และแรงพยำยำม (คำนอันดับ 2) แรงพยำยำมอยู่ระหว่ำงแรงต้ำนทำนและจุดหมุน (คำนอันดับ 3)

เวกเตอร์ของแรง แรง หมำยถงึ สิ่งที่สำมำรถทำใหว้ ตั ถุทอ่ี ยู่นง่ิ เคลื่อนทหี่ รอื ทำให้วัตถุท่ี กำลงั เคลอื่ นทม่ี คี วำมเร็วเพิม่ ข้นึ หรอื ชำ้ ลง หรอื เปลยี่ นทิศทำงกำรเคลอื่ นที่ ของวัตถไุ ด้ ปริมำณทำงฟิสิกส์ มี 2 ชนดิ คือ 1. ปริมำณเวกเตอร์ หมำยถึงปริมำณทม่ี ที ัง้ ขนำดและทิศทำง เชน่ แรง ควำมเรว็ น้ำหนัก 2. ปรมิ ำณสเกลำร์ หมำยถึง ปรมิ ำณท่ีมีแตข่ นำดอย่ำงเดียว ไมม่ ี ทิศทำง เชน่ พลังงำน อุณหภูมิ เวลำ พื้นที่ ปรมิ ำตร อัตรำเร็ว กำรเขียนเวกเตอรข์ องแรง ใช้ควำมยำวของสว่ นเสน้ ตรงแทนขนำดของแรง และหัวลูกศรแสดง ทศิ ทำงของแรง

การเคลอื่ นทใ่ี นหนึ่งมติ ิ 1 กำรเคลื่อนท่ีในแนวเส้นตรง แบ่งเปน็ 2 แบบ คือ 1. กำรเคลอ่ื นทใี่ นแนวเส้นตรงทไ่ี ปทศิ ทำงเดยี วกนั ตลอด เชน่ โยนวตั ถุ ขน้ึ ไปตรงๆ รถยนต์ กำลงั เคลือ่ นทไี่ ปขำ้ งหนำ้ ในแนวเสน้ ตรง 2. กำรเคลอื่ นที่ในแนวเสน้ เสน้ ตรง แตม่ ีกำรเคลือ่ นทกี่ ลับทศิ ดว้ ย เชน่ รถแล่นไปขำ้ งหนำ้ ในแนวเส้นตรง เม่ือรถมีกำรเลยี้ วกลบั ทิศทำง ทำใหท้ ศิ ทำงในกำร เคลอ่ื นท่ตี รงข้ำมกัน 2 อัตรำเรว็ ควำมเร่ง และควำมหน่วงในกำรเคลอื่ นที่ของวตั ถุ 1. อตั รำเร็วในกำรเคล่อื นทข่ี องวตั ถุ คือระยะทำงท่ีวตั ถุเคลื่อนท่ใี น 1 หนว่ ยเวลำ 2. ควำมเร่งในกำรเคล่ือนท่ี หมำยถึง ควำมเร็วทีเ่ พ่ิมข้นึ ใน 1 หนว่ ย เวลำ เช่น วัตถตุ กลงมำจำกทสี่ ูงในแนวดิ่ง 3. ควำมหน่วงในกำรเคลอื่ นทข่ี องวตั ถุ หมำยถงึ ควำมเรว็ ท่ีลดลงใน 1 หน่วยเวลำ เชน่ โยนวตั ถขุ ้ึนตรงๆ ไปในทอ้ งฟ้ำ

การเคลอื่ นท่แี บบต่างๆ ในชวี ติ ประจาวนั 1 กำรเคลื่อนทแี่ บบวงกลม หมำยถงึ กำร เคลื่อนที่ของวตั ถเุ ป็นวงกลมรอบศูนยก์ ลำง เกิดข้นึ เนื่องจำกวตั ถุที่กำลงั เคล่ือนท่จี ะเดินทำงเป็นเส้นตรง เสมอ แต่ขณะนัน้ มีแรงดึงวัตถเุ ขำ้ สศู่ นู ยก์ ลำงของวงกลม เรียกว่ำ แรงเขำ้ สศู่ ูนยก์ ลำงกำรเคลื่อนที่ จงึ ทำใหว้ ตั ถุ เคลอื่ นทีเ่ ป็นวงกลมรอบศูนย์กลำง เช่น กำรโคจรของ ดวงจนั ทร์รอบโลก 2 กำรเคล่อื นทขี่ องวตั ถุในแนวรำบ เปน็ กำร เคลื่อนท่ขี องวัตถุขนำนกบั พน้ื โลก เช่น รถยนตท์ ีก่ ำลงั แล่นอยูบ่ นถนน 3 กำรเคล่ือนท่ีแนววิถโี คง้ เป็นกำรเคลื่อนท่ี ผสมระหวำ่ งกำรเคลือ่ นท่ีในแนวดิ่งและในแนวรำบ