บทปฏิบัติการที่ 5 การดล โมเมนตัมและการชน

37 5Impulse, Momentum, and Collision การดล โมเมนตัมและการชน ตอนที่ 1 การดลและโมเมนตัม วตั ถปุ ระสงคก ารทดลอง เพื่อศกึ ษาการดลและโมเมนตมั ของการตกกระทบพืน้ อยางอสิ ระโดยใชเ ซนเซอรความเรงบน สมารตโฟนเปน เครอ่ื งมือวดั วธิ ดี ำเนินการทดลอง 1. การศกึ ษาการดล: กรณปี ลอยสมารต โฟนตกกระทบโซฟา ปลอยใหสมารตโฟนตกกระทบพื้นโซฟาอยางอิสระดังแสดงในภาพที่ 5.1 ดวยคาความเรง เนอ่ื งจากแรงโนมถว งของโลก ดวยชวงเวลา ∆t จะไดค า ความเร็วสุดทา ยของการตกอิสระกอนกระทบ พื้นโซฟาเปน (Nuryadin and Hindawan, 2019: 015024) y Acceleration (m/s2) h = 30 cm x 100 h 80 60 a = 79.88 m/s2 40 20 ∆t = 0.19 s 0 1.1 1.3 1.5 -20 -40 Time (s) ภาพที่ 5.1 (ซายมือ) ปลอย iPhone 5S ใหตกกระทบโซฟาอยางอิสระที่ระดับความสูง (h) ตาง ๆ และ(ขวามือ) กราฟความเรง ของการตกกระทบโซฟาอิสระในแนวแกน y (นินรยา วงษค ำอดุ และคณะ, 2564)

38 vbefore= g∆t (5.1) ในชวงการตกอยา งอิสระนี้พลังงานศักยของสมารต โฟนจะเปลยี่ นถายเปน พลังงานจลน ดงั นน้ั สมารตโฟนจึงมีโมเมนตัมเกิดขึ้นนั่นเอง สมารตโฟน iPhone 5S มวล m จะมีคาโมเมนตัมกอนชน เทา กับ pinitial = mvbefore (5.2) ในขณะทีเ่ ม่ือสมารต โฟนตกกระทบพ้ืนโซฟา โดมเมนตัมของสมารต โฟนจะลดลงทันทีทันใด เนื่องจากแรงปฏิกริ ิยาจากพ้ืนโซฟาซึง่ มคี ามากเพียงพอในการทำใหเกดิ ความเรง ทีม่ ากกวาความเรง ของการตกอสิ ระ การดลทีเ่ กิดขึ้นในชวงนีจ้ ะเปลี่ยนแปลงทันใดจากความเรง g = –10 m/s2 เปน ความเรง a ขนาดของการดลเนือ่ งจากการชนพ้นื โซฟาจะมคี า เปน J = F∆t = ma∆t (5.3) ดังนนั้ การชน (สมารต โฟนตกกระทบโซฟา) นแี้ สดงใหเ หน็ วาการดล (J) เปนสัดสวนโดยตรง กบั อัตราการเปลย่ี นแปลงโมเมนตัม นน่ั คือ ∆p= p − pfinal initial (5.4) ในการวิจัยครั้งนี้เปนการศึกษาการดลโดยการปลอยใหสมารตโฟน iPhone 5S มวล 0.112 kg ท่ี ระดบั ความสูง h ใหต กกระทบกับโซฟาดังภาพท่ี 5.1 ดวยการตดิ ต้งั แอปพลิเคชนั Phyphox ผลิตโดย RWTH Aachen University เพื่อใชในการวัดคาความเรงที่เปนฟงกชันของเวลา แลวนำคามา คำนวณหาความเร็วสุดทายกอนกระทบโซฟา โมเมนตัมกอนชน การดล และการเปลี่ยนแปลง โมเมนตัม 2. การศกึ ษาการดล: กรณสี มารตโฟนตดิ บนรถทดลองเคลือ่ นทช่ี นผนังตา ง ๆ 4 6 5 ภาพท่ี 5.2 ชุดอปุ กรณป ระกอบการทดลอง เรือ่ ง การดลและโมเมนตัม หมายเลข 1 คอื ฟองน้ำ หมายเลข 2 คือ โฟมชนิดอัดแข็ง หมายเลข 3 คือ โฟม หมายเลข 4 คือ แทงแมเหล็กชนิดนีโอไดเมียม หมายเลข 5 คือ ที่ยึดติด สมารต โฟน และ หมายเลข 6 คอื ตัวอยางการประกอบชุดทดลองการชน

39 ผลการทดลองเหมอื นกับการทดลองกรณีท่ี 1 ตอนท่ี 2 การชนแบบยืดหยุนและไมยดื หยุนสมบูรณ (Smartphone App) วัตถปุ ระสงคก ารทดลอง เพื่อศึกษาการชนแบบยืดหยุนและไมยืดหยุนสมบูรณโดยใชเ ซนเซอรความเรงบนสมารตโฟน เปนเครอื่ งมือวดั 1. การชนแบบยดื หยุนสมบรู ณ ในการทดลองการชนกนั แบบยดื หยนุ สมบรู ณข องรถทดลอง 2 คัน ดงั แสดงในภาพที่ 5.3 รถ ทดลองทัง้ สองคันมีมวลเทา กัน (mcar = 0.029 kg) รถทดลองคนั ท่ี 1 (คันสีแดง) ตดิ สมารต โฟน vivo v11 มวล mvivo = 0.156 kg และตดิ สปริงทีห่ นา รถเมื่อเกิดการชนกันแลวสปริงนจ้ี ะผลกั ใหรถทดลอง ทั้ง 2 คนั เคลื่อนท่แี ยกจากกนั หลงั ชน สวนรถทดลองคนั ท่ี 2 ตดิ สมารต โฟน iPhone SE2020 มวล miPhone SE = 0.148 kg สมารตโฟนทั้ง 2 เครื่องติดตั้งแอปพลิเคชัน SPARKvue ที่ผลิตโดยบริษัท PASCO scientific ใชในการวัดความเรงที่เปนฟงกชันของเวลา เริ่มตนการทดลองกำหนดใหรถ ทดลองคันที่ 2 วางนิง่ อยูก บั ท่ี สว นคนั ที่ 1 ใชล ูกตมุ นาิกาดงึ ออกทำมุม 70 องศา แลวปลอยใหชน รถทดลองคันที่ 1 ใหเคลื่อนที่ไปชนคันที่ 2 และรถทดลองทั้ง 2 คันวางหางกัน 50 cm ความเร็ว กอนชนและหลังชนของรถทดลองคันที่ 1 และความเร็วหลังชนของรถทดลองคันที่ 2 หาคาไดจาก สมการท่ี (5.5) (Nuryadin and Hindawan, 2019: 015024) ภาพที่ 5.3 การทดลองการชนแบบยืดหยุนสมบูรณข องรถทดลอง 2 คนั (นินรยา วงษค ำอุด และคณะ, 2564) v =ni, f a ∆tni, f ni, f (5.5) (5.6) โมเมนตมั กอ นชนและหลงั ชนของรถทดลองท้งั 2 คนั หาคา ไดจ ากสมการท่ี (5.6) m1v1i + m2v2i = m1v1 f + m2v2 f

40 เมอ่ื m1 = mcar + mvivo v11 และ m2 = mcar + miPhoneSE2020 และพลงั งานจลนก อนชนและ หลังชนของรถทดลองทั้ง 2 คนั หาคา ไดจ ากสมการที่ (5.7) 1 m1v12i + 1 m2v22i = 1 m1v12f + 1 m2v22 f (5.7) 2 2 2 2 2. การชนแบบไมยืดหยนุ สมบูรณ ในการทดลองวิจัยการชนแบบไมยืดหยุนสมบูรณของรถทดลอง 2 คัน ทำการทดลอง เชนเดยี วกบั การชนแบบยืดหยุนสมบรู ณ แตเ ปล่ียนสปรงิ ท่ตี ิดดา นหนา รถทดลองคันท่ี 1 เปนเข็มแทน ดังแสดงในภาพที่ 5.4 เพอื่ ใหรถทดลองท้งั 2 ติดกันไปหลังการชน ภาพท่ี 5.4 การทดลองการชนแบบไมย ืดหยุนสมบูรณของรถทดลอง 2 คนั (นนิ รยา วงษคำอุด และคณะ, 2564) โมเมนตัมกอ นชนและหลงั ชนของการชนแบบไมยืดหยุนสมบรู ณของรถทดลอง 2 คัน หาคา ไดจากสมการที่ (5.8) m1v1i + m2v2i = (m1 + m2 )v f (5.8) และพลังงานจลนกอนชนและหลังชนของการชนแบบไมย ดื หยนุ สมบูรณข องรถทดลอง 2 คัน หาคา ไดจากสมการที่ (5.9) 1 m1v12i + 1 m2v22i = 1 (m1 + m2 )v 2 (5.9) 2 2 2 f