แรงที่กระทำต่อวัตถุ

การทำกิจกรรมต่างๆ ในชีวิตประจำวันของเรานั้น จำเป็นต้องมีแรงเข้ามาเกี่ยวข้องเกือบตลอดเวลา ไม่ว่าจะเป็นการเรียนหนังสือ เล่นกีฬา ทำงานบ้าน หรือกิจกรรมใดๆก็ตามแรงมีผลทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง อาจมีขนาด รูปร่างเปลี่ยนไป หรือเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดและทิศทางของแรงที่มากระทำต่อวัตถุ โดยแรงที่มากระทำต่อวัตถุอาจเป็นแรงเดียวหรือหลายแรง ในกรณที่มีหลายแรงจะต้องหาผลรวมของแรงทั้งหมด เรียกว่า แรงลัพธ์


ความหมายของแรง
แรง คือ ปริมาณที่กระทำต่อวัตถุอาจทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพต่างๆซึ่งเป็นการถ่ายเทพลังงานจากตัวเราหรือจากแหล่งกำเนิดพลังงานไปยังวัตถุสิ่งของ เป็นผลทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงใน 4 ลักษณะ คือ 1. วัตถุที่หยุดนิ่งอาจเริ่มเคลื่อนที่ได้
2. ความเร็วของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อาจเปลี่ยนแปลงได้
3. ทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุอาจเปลี่ยนแปลงได้
4. วัตถุอาจมีขนาดและรูปร่างเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

แรงลัพธ์

ในกรณีที่มีแรงกระทำกับวัตถุ 2 แรงขึ้นไป ไม่ว่าจะเป็นแรงจากทิศทางเดียวกันหรือทิศทางตรงกันข้าม หรือแรงหลายทิศทางพร้อมๆกัน เพื่อให้ง่ายต่อการอธิบายการเปลี่ยนแปลงต่างๆของวัตถุ จึงจำเป็นต้องหาผลรวมของขนาดและทิศทางของแรงทั้งหมด หรือแรงลัพธ์สำหรับการอธิบายการเปลี่ยนแปลงนั้น ซึ่งการหาแรงลัพธ์ในระนาบเดียวกนสามารถหาได้ ดังนี้

  1. การหาแรงลัพธ์ของแรงที่กระทำต่อวัตถุในทิศทางเดียวกัน

F = F1 + F2 เมื่อ F1 = แรงย่อที่ 1
F2 = แรงย่อที่ 2
F = แรงลัพธ์

  1. การหาแรงลัพธ์ของแรงที่กระทำต่อวัตถุในทิศทางตรงกันข้าม
  2. F = F1 – F2 เมื่อ F1 = แรงย่อที่ 1

F2 = แรงย่อที่ 2
F = แรงลัพธ์
ในกรณีที่แรงลัพธ์กระทำกับวัตถุเป็นศูนย์ วัตถุจะรักษาสภาพการเคลื่อนที่เดิมเอาไว้ ซึ่งสามารถแบ่งได้ 2 กรณีดังนี้

  1. แรงลัพธ์มีค่าเป็นศูนย์กระทำกับวัตถุหยุดนิ่ง วัตถุจะรักษาสภาพการหยุดนิ่งเอา หรือ ไม่เปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ กล่าวได้ว่า วัตถุอยู่ในสภาพสมดุล
  2. แรงลัพธ์มีค่าเป็นศูนย์กระทำกับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วค่าหนึ่ง วัตถุจะรักษาสภาพการเคลื่อนที่เดิมเอาไว้และจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดิมด้วยความเร็วคงตัวนั้นตลอดไปแรงเคลื่อนที่และตำแหน่งของวัตถุ การเคลื่อนที่ของวัตถุมีการเคลื่อนที่แบบต่างๆ เช่น การเคลื่อนที่ในแนวตรง แนวโค้ง และการเคลื่อนที่เป็นวงกลม ซึ่งในการเคลื่อนที่นั้นระบุว่า วัตถุอยู่ที่ใดต้องกำหนดจุดอ้างอิง ระยะทางและทิศที่วัตถุนั้นห่างจากจุดอ้างอิง ซึ่งเรียกว่า การกระจัด ซึ่งการกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยปริมาณเวกเตอร์เป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เขียนแทนด้วยลูกศร ความยาวของลูกศรแทนขนาด และหัวลูกศรแทนทิศทาง วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะเคลื่อนที่เร็วหรือช้า พิจารณาจากระยะทางที่ได้หรือการกระจัดที่ได้เทียบกับเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่การเคลื่อนที่แบบต่างๆ มีลักษณะเฉพาะของการเคลื่อนที่ 
    • การเคลื่อนที่แนวเส้นตรง : วัตถุจะเคลื่อนที่ในแนวเดิม (ทิศเดิมหรือทิศตรงข้าม) โดยอาจมีแรงกระทำต่อวัตถุหรือไม่ก็ได้ ถ้ามีแรงกระทำ ทิศของแรงที่กระทำจะอยู่ในแนวเดียวกับแนวการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ

     

     

  3. การเคลื่อนที่แนวโค้ง : วัตถุจะมีการเคลื่อนที่ 2 แนวพร้อมๆ กัน เช่น เคลื่อนที่ในแนวราบและในแนวดิ่ง แรงที่กระทำต่อวัตถุจีทิศคงตัวตลอดเวลา โดยทำมุมใดๆ กับทิศของความเร็ว เช่น แรงดึงดูดของโลก
  4. การเคลื่อนที่วงกลม : วัตถุเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งรอบจุดๆ หนึ่ง โดยมีแรงกระทำในทิศเข้าสู่ศูนย์กลาง
  5. การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย : วัตถุจะเคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำรอยเดิมโดยมีแอมพลิจูดคงตัว
  6. แรงกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ (แรงที่กระทำต่อวัตถุ)การออกแรงกระทำต่อวัตถุอาจทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ หรือวัตถุอาจไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากมีแรงย่อยอื่นมาร่วมกระทำ ทำให้เกิดการหักล้างของแรงในปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นวัตถุที่จะเคลื่อนที่ได้หรือไม่ได้ก็ขึ้นอยู่กับแรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุนั่นเองเมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากถูกหักล้างด้วยแรงอื่นที่ร่วมกระทำต่อวัตถุนั้น แต่ไม่ว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่หรือไม่เคลื่อนที่ก็ตามจะเกิดแรงลัพธ์ของวัตถุเสมอแรงเป็นปริมาณที่มีขนาดและทิศทาง แรงจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์ การรวมแรงต้องรวมแบบเวกเตอร์ ในการรวมแรงหลายๆ แรงที่กระทำต่อวัตถุ ถ้าผลรวมของแรงที่ได้เป็นศูนย์แสดงว่า วัตถุนั้นอยู่ในสภาพสมดุล เมื่อปล่อยวัตถุ วัตถุนั้นจะตกลงสู่พื้นดิน แสดงว่ามีแรงกระทำต่อวัตถุ ซึ่งแรงนั้นเกิดจากแรงดึงดูดที่โลกกระทำต่อวัตถุ หรือที่เรียกว่า แรงโน้มถ่วงของโลก หรือน้ำหนักของวัตถุนั่นเอง แรงโน้มถ่วงนี้จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุ ในการลากวัตถุให้เคลื่อนที่ไปบนพื้นผิวจะมีแรงต้านการเคลื่อนที่ เรียกแรงนี้ว่า แรงเสียดทาน ซึ่งแรงเสียดทานจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับลักษณะผิวสัมผัสระหว่างวัตถุทั้งสองและแรงที่วัตถุกดพื้น กิจกรรมบางอย่างต้องการให้ผิวสัมผัสมีแรงเสียดทาน แต่กิจกรรมบางอย่างต้องการลดแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส

    เมื่อออกแรงแล้วทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงนั้น เรียกว่า มีการทำงาน คำนวณหาค่าของงานที่ทำได้จากผลคูณของแรงและระยะทางในแนวเดียวกันกับแรง และกำหนดให้งานที่ทำได้ในหนึ่งหน่วยเวลา คือ กำลัง

    ในบางกรณี เมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุอาจทำให้วัตถุหมุน เรียกว่าเกิดโมเมนต์ของแรง ซึ่งเกิดเมื่อแรงที่กระทำมีทิศตั้งฉากกับระยะทางจากจุดหมุนไปยังแนวแรง การหมุนนี้มีทั้งหมุนในทิศตามเข็มนาฬิกา และทวนเข็มนาฬิกา โดยถ้าผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกาเท่ากับผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา วัตถุจะอยู่ในสภาพสมดุล

    เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุทำให้วัตถุเคลื่อนที่สามารถวัดอัตราเร็วหรือขนาดของความเร็วของการเคลื่อนที่ได้จากการใช้เครื่องเคาะสัญญาณเวลา วัตถุที่เคลื่อนที่โดยมีความเร็วเปลี่ยนไป เรียกว่า วัตถุเคลื่อนที่โดยมีความเร่ง โดยความเร่งจะมีทิศเดียวกับทิศของแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุ

    การเคลื่อนที่ของวัตถุนอกจากจะเคลื่อนที่ในแนวตรงแล้ว ยังมีการเคลื่อนที่แบบอื่นอีก เช่น การเคลื่อนที่แบบโพรเจคไทล์ ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่แนวโค้ง โดยได้ระยะทางในแนวราบและแนวดิ่งพร้อมๆ กัน การเคลื่อนที่ในแนววงกลม เป็นการเคลื่อนที่ที่มีแรงกระทำต่อวัตถุในทิศเข้าสู่ศูนย์กลาง

    การนำหลักโมเมนต์ไปใช้ประโยชน์กับเครื่องกลประเภทคาน และได้แบ่งตามตำแหน่งของจุดหมุน แรงพยายาม และแรงต้านทานเป็น 3 อันดับ คือ

    • จุดหมุนอยู่ระหว่างแรงพยายามและแรงต้าน (คานอันดับ 1)


    • แรงต้านทานอยู่ระหว่างจุดหมุนและแรงพยายาม (คานอันดับ 2)


    • แรงพยายามอยู่ระหว่างแรงต้านทานและจุดหมุน (คานอันดับ 3)

    จากนั้นน้องๆ ดูสิ่งที่ประดิษฐ์ขึ้น เพื่อใช้ในการผ่อนแรงเหล่านี้ เช่น คาน ชะแลง กรรไกร เป็นต้น ว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ใช้หลักเรื่องโมเมนต์และคานมาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันโดยการนำมาใช้เพื่อช่วยในการผ่อนแรง และทำให้ทำงานได้สะดวกยิ่งขึ้น

     

    จากหลักของโมเมนต์น้องๆ จะสังเกตได้ว่า ถึงแม้จะมีแรงที่ต่างกันมากระทำต่อคานทั้ง 2 ข้างของจุดหมุน แต่ก็ยังสามารถปรับคานให้สมดุลได้ โดยอาศัยหลักของความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่กระทำกับระยะจากจุดที่แรงกระทำถึงจุดหมุน ซึ่งสามารถนำหลักการนี้ไปใช้ผ่อนแรงในการยกวัตถุที่มีน้ำหนักมากได้

Comments

comments

ใส่ความเห็น