แรงและการเคลื่อนที่

ความหมายของแรง

        แรง (force) คือ อำนาจอย่างหนึ่งที่พยายามทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่เปลี่ยนขนาดและรูปร่างของวัตถุได้ ผลของแรง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อวัตถุที่ถูกกระทำดังต่อไปนี้  เช่น วัตถุที่อยู่นิ่งเกิดการเคลื่อนที่ วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ มีความเร็วเพิ่มขึ้นหรือลดลง หรือเปลี่ยนทิศทาง หรือทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่างอาจเห็นชัดเจน หรือไม่ชัดเจน  สำหรับหน่วยของแรงตามระบบเอสไอ (SI) คือ นิวตัน (N)              

แรง  1  นิวตัน (N) คือ  แรงที่ทำให้มวล 1  กิโลกรัม  เคลื่อนที่ ด้วยความเร่ง 1 เมตร/วินาที2 ดังนั้น 1  นิวตัน  =  1  กิโลกรัม- เมตร/วินาที2  หรือ 1 N = 1  kg m/s2

        ปริมาณทางฟิสิกส์ มี 2 ชนิด คือ ปริมาณเวกเตอร์ และปริมาณสเกลาร์

        ปริมาณเวกเตอร์ (vector quantity) หมายถึง ปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เช่น แรง  ความเร็ว ความเร่ง น้ำหนัก เป็นต้น

        ปริมาณสเกลาร์ (scalar quantity) หมายถึง ปริมาณที่มีแต่ขนาดอย่างเดียวไม่มีทิศทาง เช่น  พลังงาน อุณหภูมิ เวลา พื้นที่ ปริมาตร อัตราเร็ว เป็นต้น

ชนิดของแรง

        ชนิดของแรง  แบ่งเป็น  4  ชนิด  คือ

             1.  แรงดึง  เป็นแรงที่พยายามทำให้วัตถุยึดออกไปจากเดิม  เช่น  ลวดสลิงยึดเสาไฟฟ้า

             2.  แรงอัดหรือแรงกด  เป็นแรงที่พยายามทำให้วัตถุยุบตัวหรือสั้นลง  เช่น  เสาในอาคารก่อสร้าง 

             3.  แรงบิด  เป็นแรงที่พยายามทำให้วัตถุบิดเป็นเกลียวโดยที่อาจสังเกตเห็นได้หรือไม่ก็ตาม  เช่น  แรงบิดของเพลาหมุนในเครื่องจักรกลต่าง ๆ

             4.  แรงเฉือน  เป็นแรงที่กระทำต่อวัตถุแล้ว  พยายามทำให้เนื้อวัตถุขาดขนานกับแนวแรงกระทำ  เช่น  แรงเฉือนของกรรไกรที่ตัดเหล็กเส้นหรือตัดโลหะ

แรงในธรรมชาติ

        แบ่งได้  4  ชนิด คือ                                         

             1. แรงโน้มถ่วงของโลก  คือ  แรงดึงดูดที่มวลของโลกกระทำต่อมวลวัตถุ  เพื่อดึงดูดวัตถุนั้นเข้าสู่ศูนย์กลางของโลก  นักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบแรงโน้มถ่วงของโลก  คือ  เซอร์ไอแซก  นิวตัน  เป็นการค้นพบโดยบังเอิญขณะที่เขานั่งอยู่ใต้ต้นแอปเปิ้ล  และสังเกตเห็นผลแอปเปิลตกจากต้นลงสู่พื้นดิน

             2.  แรงแม่เหล็ก  แม่เหล็กมี  2  ขั้ว  คือ  ขั้วเหนือ  และขั้วใต้  ขั้วแม่เหล็กเหมือนกันจะออกแรงผลักกัน  ขั้วต่างกันจะออกแรงดึงดูดกัน  บริเวณรอบ ๆ แท่งแม่เหล็กจะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นมีทิศจากขั้วเหนือไปสู่ ขั้วใต้

             3.  แรงไฟฟ้าสถิต  อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน  3  ชนิด  คือโปรตอน  นิวตรอน  อิเล็กตรอน  ปกติอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าเนื่องจากมีจำนวนโปรตอน(+)เท่ากับอิเล็กตรอน(-)

             แรงระหว่างประจุไฟฟ้ามี  2  ชนิด  คือ  แรงผลักและแรงดูด  กล่าวคือ  ประจุเหมือนกันจะออกแรงผลักกัน  ประจุต่างกันจะออกแรงดึงดูดกัน

             4.  แรงนิวเคลียร์  โปรตอนและนิวตรอนอัดกันแน่นอยู่ตรงกลาง  เรียกว่า  นิวเคลียส  โปรตอนอยู่ด้วยกันได้  แสดงว่า  ต้องมีแรงที่ทำให้โปรตอนกับโปรตอนยึดติดกันได้  แรงดังกล่าวเรียกว่า  แรงนิวเคลียร์  การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะได้พลังงานออกมาสูงมาก  เรียกว่า  พลังงานนิวเคลียร์

แรงชนิดอื่นและการใช้ประโยชน์ 

             ในการออกแรงดึงวัตถุให้เคลื่อนที่ไปตามพื้น  จะมีแรงต่าง ๆ มากระทำต่อวัตถุ  เช่น  น้ำหนักของวัตถุกดลงพื้น  แรงปฏิกิริยาที่พื้นกระทำต่อวัตถุ  แรงดึงเชือก  และแรงเสียดทาน

             น้ำหนัก  หมายถึง  แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลของวัตถุเกิดจากแรงดึงดูดของโลกกระทำต่อมวลวัตถุมีทิศทางลงตามแนวดิ่งเสมอ

             แรงปฏิกิริยา  หมายถึง  แรงโต้ตอบจากพื้นที่ผิวสัมผัส  มีทิศตั้งฉากกับผิวสัมผัสเสมอและมีทิศตรงข้ามกับน้ำหนักของวัตถุที่กดลงบนพื้น

    แรงดึงในเส้นเชือก  หมายถึง  แรงดึงที่เชือกกระทำต่อวัตถุ  มีทิศจากจุดสัมผัสพุ่งเข้าสู่ภายในเส้นเชือก  แรงดึงในเส้นเชือกสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้  เช่น  ใช้เชือกแขวนวัตถุนำเชือกไปใช้ในการลากจูง  การใช้เชือกคล้องผ่านรอกดึงวัตถุ

   แรงเสียดทาน  หมายถึง  แรงที่เกิดระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ  เป็นแรงต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ  มีทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ

   ปัจจัยที่มีผลต่อแรงเสียดทาน  แรงเสียดทานจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ

   1.  น้ำหนักของวัตถุที่กดลงบนผิวสัมผัส  ถ้าน้ำหนักมากแรงเสียดทานจะมาก  ถ้าน้ำหนักน้อย       แรงเสียดทานจะน้อย

   2.  ลักษณะของผิวสัมผัส  ถ้าผิวสัมผัสขรุขระมากแรงเสียดทานจะมีค่ามาก  ถ้าผิวขรุขระน้อย แรงเสียดทานจะน้อย 

ชนิดของแรงเสียดทาน 

   1.      แรงเสียดทานสถิต  คือ  แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุพยายามจะเคลื่อนที่  ซึ่งมีค่าสูงสุดขณะที่วัตถุเริ่มเคลื่อนที่

   2.      แรงเสียดทานจลน์  คือ  แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่

   3.      แรงเสียดทานหมุน  คือ  แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่โดยการหมุนไปบนผิวของอีกวัตถุหนึ่ง  เช่น  ล้อรถเคลื่อนที่ไปบนถนน  ล้อรถไฟเคลื่อนที่ไปตามราง

   เมื่อเปรียบเทียบค่าแรงเสียดทานทั้ง  3  ชนิด  พบว่า  แรงเสียดทานสถิติมีค่ามากกว่าแรงเสียดทานจลน์  และแรงเสียดทานจลน์มีค่ามากกว่าแรงเสียดทานหมุน

   แรงเสียดทานในงานช่าง  แรงเสียดทานมีประโยชน์แก่มวลมนุษย์มาก  เช่น  ทุกคนเดินได้เพราะมีแรงเสียดทานระหว่างเท้ากับพื้น  รถยนต์แล่นได้เพราะมีแรงเสียดทานระหว่างล้อกับพื้นถนน  การจอดรถยนต์  การหยุดการทำงานของเครื่องจักรกล  ต้องอาศัยแรงเสียดทานทั้งสิ้น  วิธีลดแรงเสียดทานในงานช่างทำได้ดังนี้

1.  ทำให้ผิวหน้าสัมผัสเรียบ

2.  การชโลมด้วยน้ำมันหรือการใช้จารบี

3.  การใช้แบริงในงานช่างบางอย่าง  เช่น  การหมุนของเพลาต่าง ๆ จะมีการเสียดสีระหว่างหน้าสัมผัสของเพลากับตัวรองแบริ่งที่ใช้  ได้แก่  บอลแบริ่ง  โรงเลอร์แบริ่ง  นีดเดิลแบริ่ง  เป็นต้น

4.  การใช้วัสดุลดความฝืด  ใช้วิธีการเคลือบบนผิวชิ้นงานที่มีการเสียดสี  วัสดุลดความฝืด  ได้แก่ ตะกั่วผสมทองแดง  สังกะสีผสมทองแดง  และพลวง  เป็นต้น

การเคลื่อนที่ของวัตถุ

         ลักษณะการเคลื่อนที่ของวัตถุ

1.      การเคลื่อนที่แบบเลื่อนตำแหน่ง  เป็นการเคลื่อนที่ของวัตถุจากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง  เช่น  การเคลื่อนที่ของรถยนต์บนถนน  การตกอย่างอิสระของวัตถุ  การเคลื่อนที่ของรถไฟตามราง  การเคลื่อนที่ของลูกฟุตบอลที่ถูกเตะเข้าประตู  เป็นต้น

2.      การเคลื่อนที่แบบหมุน  วัตถุจะเคลื่อนที่จากตำแหน่งเริ่มต้นรอบแกนหมุนจนเคลื่อนที่กลับมายังตำแหน่งเริ่มต้นอีกครั้ง  จึงนับเป็นการเคลื่อนที่ครบ  1  รอบ  และเริ่มรอบใหม่ซ้ำแนวเดิม  เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ครบรอบ  เรียกว่า  คาบ  เช่น  การหมุนของชิงช้าสวรรค์  การหมุนของใบพัดลม  หรือเข็มนาฬิกา 

3.      การเคลื่อนที่แบบสั่น  เป็นการเคลื่อนที่จากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง  และย้อนกลับไปมาทับแนวเส้นทางเดิม  เช่น  การเคลื่อนที่ของลูกตุ้มนาฬิกา  การเคลื่อนที่ของชิงช้า  เป็นต้น

ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่  

1.     ระยะทาง  หมายถึง  เส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุตั้งแต่จุดเริ่มต้นไปถึงสุดท้ายของการเคลื่อนที่

อาจเป็นเส้นตรง  เส้นโค้ง  หรือเส้นคดก็ได้  จัดเป็นปริมาณสเกลาร์

2.     การกระจัด  หมายถึง  การบอกตำแน่งของวัตถุที่จุดสุดท้ายของการเคลื่อนที่เทียบกับจุดเริ่มต้นว่า

เป็นระยะทางเท่าไร  และอยู่ทางทิศใดของจุดเริ่มต้น  การกระจัดจึงเป็นเส้นตรงเท่านั้นและจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์

3.     อัตราเร็ว  หมายถึง  ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา

4.     ความเร็ว  หมายถึง  การกระจัดของวัตถุที่เปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลา

5.     ความเร่ง  หมายถึง  ความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา

6.     เวลา  การวัดเวลาของการเคลื่อนที่วัดจากจุดที่สังเกต  ในระบบSI  เวลามีหน่วยเป็นวินาที่ (S)

แบบฝึกหัด

จงเลือกคำตอบที่ถูกที่สุดเพียงคำตอบเดียว

1.  ข้อใด  ไม่ใช้  ความหมายของแรง

     1. อำนาจอย่างหนึ่งที่ทำให้วัตถุมีความเร่ง

     2. เป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง

     3. ทำให้วัตถุเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่  หรือเปลี่ยนรูปร่าง

     4. สิ่งที่ทำให้วัตถุมวล  1  กิโลกรัม  เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว  1  เมตร/วินาที่

2.  แรงใดที่ต้นกำเนิดของแรงไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับวัตถุแต่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้

     1. แรงดึง

     2. แรงผลัก

     3. แรงโน้มถ่วง

     4. แรงลม

3.  วัตถุที่ขีดเส้นใต้ข้อใดได้รับแรงดึง

     1. การตอกเสาเข็ม

     2. การตัดเหล็ก

     3. การเคลื่อนที่ของเพลาในเครื่องจักร

     4. ลวดสลิงยึดเสาไฟฟ้า

4.   ข้อใดกล่าวถึงแรงนิวเคลียร์ได้ถูกต้อง

     1. แรงที่ทำให้อนุภาคโปรตอนอยู่รวมกันในนิวเคลียสของอะตอมได้

     2. แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนอิสระ

     3. แรงดึงดูดที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของสาร

     4. แรงที่กระทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอม

5.  การเคลื่อนที่ในข้อใดเป็นการเคลื่อนที่แบบมีคาบ

     1. เดินจากบ้านไปโรงเรียนเส้นทางเดิมทุกวัน

     2. การเคลื่อนที่ของลูกตุ้มนาฬิกา

     3. การเคลื่อนที่ของรถไฟ

     4. การเคลื่อนที่ของลูกปิงปอง

6.  ข้อใดเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนและการเลื่อนตำแหน่งพร้อมกัน

     1. การเคลื่อนที่ของชิงช้า

     2. การเคลื่อนที่ของล้อรถยนต์

     3. การเคลื่อนที่ของใบพัดของพัดลมโคจร

     4. การเตะลูกฟุตบอลให้โด่ง

7.  การเคลื่อนที่ในข้อใดที่ทำให้การกระจัดมีค่าเป็นศูนย์

     1. การเคลื่อนที่ของลมพายุผ่านเส้นศูนย์สูตร

     2. การเคลื่อนที่ของบั้งไฟพญานาค

     3. การโยนก้อนหินขึ้นไปในอากาศและตกกลับสู่จุดเดิม

     4. การหล่นของลูกมะพร้าวลงสู่พื้นดิน

8.  การใช้ชีวิตประจำวันในข้อใดที่ใช้ประโยชน์จากแรงเสียดทานน้อยที่สุด

     1. การใช้มือหยิบจับสิ่งของต่าง ๆ

     2. การเหยียบเบรกเพื่อชะลอความเร็วของรถ

     3. การตอกตะปูยึดติดกับไม้

     4. การใช้เข้มฉีดยาผู้ป่วย

9.  วิธีการในข้อใด  ไม่ใช่  วิธีลดแรงเสียดทานในงานช่าง

     1. การใช้จาระบี

     2. การใช้แบริ่ง

     3. การทำให้ผิวหน้าสัมผัสเรียบ

     4. การลดความเร็วในการหมุน

10. การคมนาคมขนส่งในปัจจุบันเป็นการใช้ประโยชน์จากการเคลื่อนที่แบบใดมากที่สุด

     1. การเคลื่อนที่แบบมีคาบ

     2. การเคลื่อนที่แบบเลื่อนตำแหน่ง

     3. การเคลื่อนที่แบบหมุน

     4. การเคลื่อนที่แบบสั่น

..........................................................................................................................

เฉลย

1. 4	2. 3	3. 4	4. 1	5. 2
6. 2	7. 3	8. 4	9. 4	10. 2