ชนิดแรงโน้มถ่วงปี2563

หนว่ ยการเรียนรู้ท่ี 4 รมู้ น่ั คงกับแรงในสนาม เร่อื ง แรงในสนามโน้มถ่วง (Forces ingravitational field) ครูผู้สอนและผจู้ ดั ทา นางจฑุ าทพิ ย์ รกั ษ์ศรี

แรง (Forces) • 1. แรง • 2. ชนิดของแรง • 3. การเคลือ่ นทข่ี องอนุภาคหรอื วัตถใุ นสนามโนม้ ถว่ ง สนามไฟฟา้ และสนามแม่เหลก็ • 4. แรงยดึ เหนย่ี วในนิวเคลยี ส

2. ชนดิ ของแรง

2. ชนิดของแรง • 1. แรงโนม้ ถ่วง (gravitational force) • 2. แรงยดื หย่นุ (elasticity) • 3. แรงตึง • 4. แรงไฟฟ้า • 5. การตรวจสอบประจไุ ฟฟา้ • 6. แรงแม่เหล็ก • 7. แรงลอยตวั • 8. แรงเสียดทาน (frictional force)

1. แรงโนม้ ถว่ ง (gravitational force) • 1.1 ขนาดแรงโน้มถว่ ง • 1.2 สนามโนม้ ถ่วง • 1.3 แรงโน้มถว่ งกับการใช้งาน

1. แรงโนม้ ถ่วง (gravitational force) • แรงโนม้ ถว่ ง (gravitational force) เปน็ แรงดึงดดู ระหวา่ งมวล 2 กอ้ น • แรงโนม้ ถ่วงจะมคี า่ มากหรอื นอ้ ยขน้ึ อย่กู ับ – 1. มวลของวัตถุ – 2. ระยะห่างจากโลก

1.2 สนามโน้มถว่ ง • แรงโนม้ ถ่วงบนมวล 1 kg เรียกว่า สนามโนม้ ถว่ ง (g) • แรงโน้มถว่ งของโลกท่กี ระทาตอ่ วัตถุ เรียกวา่ น้าหนัก (W) • จะมีความสัมพนั ธ์กนั ดงั น้ี W = mg

1.3 แรงโน้มถว่ งกับการใชง้ าน • 1. ดา้ นพลงั งาน • 2. ด้านการก่อสร้าง • 3. ดา้ นชลประทาน • 4. ด้านการแพทย์ • 5. ด้านกีฬา • 6. ดา้ นการขนสง่ • 7. ด้านการเกษตร • 8. ดา้ นการทหาร • 9. ด้านเวลา • 10. ด้านการส่อื สาร

2. แรงยดื หยนุ่ (elasticity) • 2.1 กฎของฮคุ (Hooke’s law) • 2.2 ประโยชนข์ องแรงยืดหย่นุ

2. แรงยืดหยนุ่ (elasticity) • เม่ือแรงกระทาบนวัตถใุ ด ๆ แลว้ วตั ถนุ ้ันเปล่ยี นรปู รา่ งไป เมือ่ หยุดแรง กระทา วตั ถุจะกลับคนื สู่รปู ร่างเดมิ • แสดงว่า วตั ถนุ น้ั มีความยดื หยนุ่ (elasticity) • แรงภายในวัตถุน้ัน เรียกว่า แรงยดื หยนุ่ • ตวั อย่างท่ีเห็นชดั เจน เช่น สปริง หนังสติก๊ เปน็ ตน้ • ตวั อยา่ งทเ่ี ห็นไม่ค่อยชดั เจน เช่น เหลก็ แก้ว คอนกรตี เปน็ ตน้ (ต้องใช้ เคร่อื งมือวดั )

2.1 กฎของฮุค (Hooke’s law) • Robert Hooke พบว่า “แรงยดื หยุ่นในสปรงิ แปรผันตรงกับระยะ ยดื หรือหดของสปรงิ ในชว่ งระยะยืดของสปรงิ ท่ีไมเ่ กนิ ขีดจากัดของ ความยืดหยุ่น” • ดังน้ัน F∝x F = kx • โดยที่ k เปน็ คา่ คงทขี่ องความยืดหยุ่น หรอื ค่าคงท่ขี องสปรงิ มีหน่วย เปน็ นวิ ตนั /เมตร (N/m)

2.2 ประโยชนข์ องแรงยดื หยุ่น • 1. การพกั ผอ่ น • 2. การกีฬา • 3. เครื่องออกกาลงั กาย • 4. ยานพาหนะ • 5. เคร่ืองดนตรี • 6. อน่ื ๆ เช่น เคร่ืองเล่น หรอื เครอ่ื งมือบางชนิด

1.1 ขนาดของแรงโน้มถ่วง • นิวตนั พบว่าแรงโน้มถ่วงแปรผันตรงกบั มวลท้ังสอง และแปรผกผันกบั ระยะทาง ดังสมการ เม่ือ • F คือ แรงโน้มถว่ ง (N) • r คอื ระยะทางระหวา่ งมวล (m) • G คอื คา่ คงตัวความโนม้ ถว่ งสากล (6.67 x 10-11 Nm2/kg2) • m , M คือ มวล (kg) http://www.physics.hku.hk/~nature/CD/regular_e/lectur

http://earthguide.ucsd.edu/oceanography/tides/gravit

ตัวอย่างแบบฝกึ หัด • 1. มวลสองกอ้ น 2 kg และ 5 kg วางหา่ งกนั เปน็ ระยะ 1 m จะมีแรง โน้มถ่วงเทา่ ไร (6.67 x 10-10 N) • 2. มวลสองกอ้ น 4 kg และ 5 kg มีแรงโนม้ ถว่ ง 3.335 x 10-10 N จะ อยหู่ า่ งกนั เปน็ ระยะทางเท่าไร (2 m) • 3. จงหามวล 60 kg เมื่อนาไปวางบนผวิ ของดาวต่อไปนี้ – ก) โลก (600 N) – ข) ดวงจันทร์ (100 N)

ตัวอย่างแบบฝึกหดั • 4. เม่ือสปริงมีคา่ คงท่ี 100 N/m ถูกถ่วงด้วยตุม้ นา้ หนกั 2 kg สปรงิ จะยืดออกได้เท่าใด (20 cm) • 5. ใชแ้ รง 50 N ดนั กลอ่ งใหด้ ันสปรงิ หดเขา้ ไปมากทส่ี ุด 10 cm จงหา ว่าสปรงิ มคี ่าคงทีข่ องความยดื หยุน่ เท่าไร (500 N/m)

3. แรงตงึ • แรงตงึ เป็นแรงภายในวตั ถทุ ่มี ีลักษณะเป็นเสน้ เชน่ เส้นเชือก เสน้ ลวด เสน้ ดา้ ย เป็นตน้ • แรงในวตั ถยุ ดื หยนุ่ ถือว่าเป็นแรงตงึ ได้

ประโยชน์ของแรงตงึ • 1. แรงตงึ ในเส้นเชือก ลากสิ่งของหนกั ๆ เช่น รถบรรทุก เปน็ ตน้ • 2. สายไฟฟา้ ทุกเส้นมีแรงตงึ ทเี่ หมาะสม • 3. การลากจูง เป็นต้น

7. แรงลอยตัว • แรงลอยตัว คอื ซงึ่ เขยี นสมการไดด้ งั นี้ B = ρVg สมบัติของแรงลอยตัว คือ • 1. แรงลอยตัวเปล่ียนไปตามรูปร่างของวัตถุ • 2. แรงลอยตวั ไมข่ นึ้ กับความลกึ

หลักของอารค์ มี ิดีส (Archimedes principle) • แรงลอยตัว (buoyant force) หรือแรงพยงุ ของของเหลวทุกชนดิ • เป็นไปตามหลักของอารค์ มิ ีดิส (Archimedes' Principle) ซึง่ กล่าววา่ แรงลอยตวั หรือแรงพยงุ ที่ของเหลวกระทาต่อวตั ถุ มีขนาด เท่ากบั นา้ หนกั ของของเหลวทมี่ ปี ริมาตรเท่ากับปรมิ าตรของวัตถสุ ว่ นที่ จมอยู่ในของเหลว B = น้าหนกั ของวัตถใุ นอากาศ – น้าหนกั ของวตั ถุในของเหลว = น้าหนกั ของวัตถุท่หี ายไปในของเหลว = น้าหนักของของเหลวทถ่ี ูกแทนทโ่ี ดยวตั ถุนน้ั

8. แรงเสียดทาน (frictional force) • 8.1 สาเหตุของการเกิดแรงเสยี ดทาน • 8.2 ชนิดของแรงเสียดทาน • 8.3 ประโยชนข์ องแรงเสยี ดทาน

แรงเสยี ดทาน (frictional force) • แรงเสยี ดทาน (frictional force : f) คือ แรงระหว่างผวิ สัมผสั ของ วตั ถทุ ่ีเคล่ือนทผ่ี า่ นกนั หรือจะเคลอ่ื นท่ีผา่ นกนั • แรงเสยี ดทานเกิดขึน้ ไดท้ ้ังในของแขง็ ของเหลว และแกส๊ • แรงเสียดทานมีทิศตรงข้ามกบั การเคลื่อนที่ ใช้สัญลกั ษณ์ f

8.1 สาเหตุของการเกิดแรงเสียดทาน • แรงเสียดทาน แปรผกผนั กบั การเคล่อื นที่ • แรงเสยี ดทาน จะมีค่ามากหรอื น้อยขึ้นอย่กู ับ – ลักษณะของพน้ื ผวิ เชน่ เรยี บ ขรขุ ระ เปน็ ต้น – น้าหนกั หรอื แรงกดในแนวตงั้ ฉาก

8.2 ชนดิ ของแรงเสียดทาน • แรงเสยี ดทาน มี 2 ชนดิ คือ • 1. แรงเสยี ดทานสถิต (static friction : fs) เปน็ แรงเสียดทานท่ี เกดิ ในขณะวัตถอุ ยู่น่งิ – วัตถุอยู่น่ิง ( fs = 0 ) – วัตถกุ าลงั เคลื่อนท่ี (fs = F มคี า่ มากทสี่ ดุ ) – วตั ถุเร่มิ เคลอื่ นท่พี อดี (fs = F (แรงทีม่ ากระทา)) • 2. แรงเสยี ดทานจลน์ (kinetic friction : fk) เปน็ แรงเสยี ดทานท่ี เกดิ ในขณะวตั ถกุ าลังเคล่อื นที่

• แรงเสยี ดทาน (Friction force) คอื แรงทตี่ ่อตา้ นการเคลอื่ นท่ขี อง วัตถุ • สูตรการคานวณ f = µN • เมือ่ f คอื แรงเสยี ดทาน มหี น่วยเปน็ นวิ ตนั (N) µ คอื สัมประสิทธิ์ความเสยี ดทาน N คอื แรงปฏิกิริยา มีหน่วยเป็นนวิ ตัน (N) http://www.visionengineer.com/ref/friction.php

The plot below of the frictional force vs. the applied force illustrates some of the features of the frictional force. http://www.cord.edu/dept/physics/p128/lecture99_12

8.3 ประโยชนข์ องแรงเสียดทาน • 1. สามารถเดินบนพื้นได้ • 2. การบงั คบั ทิศทางของลอ้ รถกบั ถนน • 3. การเบรก

ตวั อยา่ งแบบฝกึ หัด • 16) ถา้ ออกแรง 10 N ดึงกลอ่ งมวล 2 kg กล่องเคลื่อนท่ไี ด้พอดี จงหา สมั ประสทิ ธค์ิ วามเสยี ดทานสถิต (0.5)

References • พนู ศกั ดิ์ อนิ ทวี และจานง ฉายเชิด. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้ พนื้ ฐาน กลมุ่ สาระการเรียนรวู้ ทิ ยาศาสตร์ วทิ ยาศาสตร์ : ฟิสกิ ส์ ม.4-ม.6. กรุงเทพฯ : อักษรเจริญทัศน์, 2547. 262 หน้า. • http://www.sripatum.ac.th/online/phy02.htm