แรงและการเคลื่อนที่

แรง (force,(F)) หมายถึง สิ่งที่ไปกระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่าง เปลี่ยนทิศทาง เกิดการเคลื่อนที่หรือหรือหยุดนิ่งได้ แรงจึงมีหลายรูปแบบ

แรงชนิดต่างๆที่ควรรู้จัก

แรงต้าน (resistance force)

แรงที่ต่อต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ มีทิศทางตรงข้ามกับกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ ทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่ช้าลงหรือหยุดนิ่ง เช่น แรงต้านของอากาศที่ทำให้วัตถุลงสู่พื้นดินช้าลง หรือแรงเสียดทานของพื้นผิว

แรงขนาน (parallel force)

แรงที่ขนานกัน อาจมีทิศทางเดียวกันหรือตรงข้ามกันก็ได้

แรงดึงในเส้นเชือก (tension force)

เป็นแรงที่เกิดขึ้นในเส้นเชือกที่ถูกขึงตึง เพื่อต้านกับแรงกระทำเนื่องจากน้ำหนักของวัตถุ

แรงหมุน (rotational force)

แรงหมุน หมายถึง แรงที่กระทำต่อวัตถุ ทำให้วัตถุเคลื่อนที่โดยหมุนรอบจุดหมุน ผลของการหมุน เรียกว่า โมเมนต์ (moment) เช่น การเปิด-ปิดหน้าต่าง การหมุนพวงมาลัยรถยนต์

แรงสู่ศูนย์กลาง (centripetal force)

แรงที่มีทิศทางเข้าสู่ศูนย์กลางของวงกลมหรือทรงกลม เมื่อวัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลม

แรงโน้มถ่วง (gravitational force)

แรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อวัตถุ เพื่อดึงดูดวัตถุนั้นเข้าสู่ศูนย์กลาง ของโลก ซึ่งเซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) ได้ตั้ง กฎความโน้มถ่วงดังนี้ “วัตถุทุกชนิดมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน แรงดึงดูดจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนานของมวลและระยะห่างระหว่างวัตถุนั้น” โดยที่โลกมีแรงดึงดูดด้วยแรง 9.8 นิวตัน

แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา

แรงกิริยา (action force) เป็นแรงที่กระทำต่อวัตถุ แล้วทำให้เกิดแรงกระทำตอบในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งเรียกว่า แรงปฏิกิริยา (reaction force)

เซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) ได้ตั้งกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ซึ่งกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 กล่าวว่า “แรงกิริยาทุกแรงจะทำให้เกิดแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากัน กระทำในทิศทางตรงกันข้ามเสมอ”

แรงเสียดทาน

หมายถึง แรงที่ต่อต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ แรงเสียดทานเกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุกับผิวของพื้น เช่น เมื่อเราเข็นรถเข็นเด็ก

โมเมนต์ (moment)

โมเมนต์ เป็นผลคูณของแรงกับระยะทางในแนวตั้งฉากจากจุดที่แรงกระทำไปยังจุดหมุน

แรงพยุงหรือแรงลอยตัว

แรงพยุงหรือแรงลอยตัวของของเหลวทุกชนิดที่กระทำต่อวัตถุที่จมในของเหลวจะเป็นไปตามกฎของอาร์คีมีดีส ซึ่งกล่าวไว้ว่า วัตถุที่จมในของเหลวหมดทั้งก้อนหรือจมแต่เพียงบางส่วน จะถูกแรงลอยตัวกระทำ และแรงลอยตัวจะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่

ความเร่ง

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่คงที่ในช่วงเวลาหนึ่งๆ อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วอาจเพิ่มขึ้นหรือลดลง ถ้าเพิ่มขึ้นเรียกว่า ความเร่ง ซึ่งมีค่าเป็นบวก (+) แต่ถ้าลดลงจากเดิมเรียกว่า ความหน่วง มีค่าเป็น (-)

ผลของแรงลัพธ์

แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่บอกทั้งขนาดและทิศทาง ดังนั้น การหาแรงลัพธ์ที่เกิดจากการรวมกันระหว่างแรง 2 แรงขึ้นไป สามารถคำนวณแบบเวกเตอร์ได้ ซึ่งจะต้องรวมเวกเตอร์จำนวนที่มีอยู่ให้เป็นปริมาณเดียวกันเนื่องจากปริมาณเวกเตอร์มีทั้งขนาดและทิศทาง ในการรวมเวกเตอร์จึงต้องวิเคราะห์ทิศทางของเวกเตอร์ที่นำมารวมกัน และเรียกเวกเตอร์ที่รวมกันว่า เวกเตอร์ลัพธ์

การเคลื่อนที่ในหนึ่งมิติ

การเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง แบ่งเป็น 2 แบบ คือ

– การเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงที่ไปทิศทางเดียวกันตลอด เช่น โยนวัตถุขึ้นไปตรงๆ รถยนต์ กำลังเคลื่อนที่ไปข้างหน้าในแนวเส้นตรง

– การเคลื่อนที่ในแนวเส้นเส้นตรง แต่มีการเคลื่อนที่กลับทิศด้วย เช่น รถแล่นไปข้างหน้าในแนวเส้นตรง เมื่อรถมีการเลี้ยวกลับทิศทาง ทำให้ทิศทางในการเคลื่อนที่ตรงข้ามกัน

การเคลื่อนที่แบบต่างๆ ในชีวิตประจำวัน

การเคลื่อนที่แบบวงกลม หมายถึง การเคลื่อนที่ของวัตถุเป็นวงกลมรอบศูนย์กลาง เกิดขึ้นเนื่องจากวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะเดินทางเป็นเส้นตรงเสมอ แต่ขณะนั้นมีแรงดึงวัตถุเข้าสู่ศูนย์กลางของวงกลม เรียกว่า แรงเข้าสู่ศูนย์กลางการเคลื่อนที่ จึงทำให้วัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบศูนย์กลาง เช่น การโคจรของดวงจันทร์รอบโลก

การเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวราบ เป็นการเคลื่อนที่ของวัตถุขนานกับพื้นโลก เช่น รถยนต์ที่กำลังแล่นอยู่บนถนน

การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ โพรเจกไทล์ภาษาอังกฤษ หมายถึง วัตถุที่ขว้างหรือยิงออกไป โดยจะสังเกตได้ว่ามีแนวการ เคลื่อนที่เป็นวิถีโค้ง โดยในบทเรียนจะถือว่าแรงต้านของอากาศน้อยมากจนไม่ต้องนำมาคิด การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์เป็นการเคลื่อนที่ใน 2 มิติ คือเคลื่อนที่ในแนวระดับและแนวดิ่ง พร้อมกัน ในแนวดิ่งเป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงโลกในขณะที่แนวราบ ไม่มีความเร่ง

การเคลื่อนที่บนถนนโค้ง ในกรณีที่รถเลี้ยวโค้ง แรงเสียดทานที่พื้นถนนกระทำกับด้านข้างของยางรถจะเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ที่ทำให้รถยนต์เลี้ยวโค้งได้ และเนื่องจากแรงเสียดทานมีค่าจำกัดขึ้นกับสภาพถนน และยางรถ ดังนั้นแรงสู่ศูนย์กลางจึงมีค่าจำกัดด้วย หากถนนมีความโค้งขนาดหนึ่งอัตราเร็วที่รถวิ่งขณะเลี้ยวโค้งต้องไม่เกินกว่าแรงเสียดทานทิศสู่ศูนย์กลาง หากอัตราเร็วเกินก็จะทำให้รถไถลออกนอกโค้งเกิดอันตรายได้ การเลี้ยวโค้งจะง่ายและปลอดภัยขึ้นหากพื้นถนนถูกยกให้ ขอบถนนด้านนอกสูงกว่าขอบด้านใน