ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ข่าววิทยาศาสตร์
ภาพยนตร์วิทยาศาสตร์
เรื่องน่ารู้
พจนานุกรม
นักวิทยาศาสตร์
คำถามวิทยาศาสตร์
สีสันวิทยาศาสตร์
การทดลองวิทยาศาสตร์
บทเรียน / แบบฝึกหัด
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกวิทยาศาสตร์ | บทเรียน | บทเรียน

บทเรียน
   

วิทยาศาสตร์ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 : แรงและการเคลื่อนที่
 
ระดับชั้น : มัธยมต้น

แรงและการเคลื่อนที่


แรง (force) เป็นสิ่งที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่าง เปลี่ยนทิศทาง เกิดการเคลื่อนที่หรือหรือหยุดนิ่งได้ แรงสามารถเปลี่ยนความเร็วของวัตถุได้ หรือกล่าวได้ว่าแรงทำให้วัตถุเกิดความเร่ง

ถ้ามีแรงขนาดเท่ากันกระทำต่อวัตถุในทิศทางตรงกันข้าม อาจจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาดของวัตถุ แต่ไม่มีการเคลื่อนที่ของวัตถุ

ลักษณะของแรง แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีทั้งขนาดและทิศทาง มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) ใช้สัญลักษณ์ F เขียนแทนแรง การเขียนสัญลักษณ์ของแรงที่บอกทิศทางของแรงด้วยนั้น จะใช้ความยาวของเส้นตรงแทนขนาด และใช้หัวลูกศรแทนทิศทางของแรง เรียกว่า เวกเตอร์ของแรง

ใบความรู้ เรื่อง แรงแบบต่างๆ

แรงเคลื่อนที่และตำแหน่งของวัตถุ

การเคลื่อนที่ของวัตถุมีการเคลื่อนที่แบบต่างๆ เช่น การเคลื่อนที่ในแนวตรง แนวโค้ง และการเคลื่อนที่เป็นวงกลม ซึ่งในการเคลื่อนที่นั้นระบุว่า วัตถุอยู่ที่ใดต้องกำหนดจุดอ้างอิง ระยะทางและทิศที่วัตถุนั้นห่างจากจุดอ้างอิง ซึ่งเรียกว่า การกระจัด ซึ่งการกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยปริมาณเวกเตอร์เป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เขียนแทนด้วยลูกศร ความยาวของลูกศรแทนขนาด และหัวลูกศรแทนทิศทาง วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะเคลื่อนที่เร็วหรือช้า พิจารณาจากระยะทางที่ได้หรือการกระจัดที่ได้เทียบกับเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่แบบต่างๆ มีลักษณะเฉพาะของการเคลื่อนที่

  • การเคลื่อนที่แนวเส้นตรง : วัตถุจะเคลื่อนที่ในแนวเดิม (ทิศเดิมหรือทิศตรงข้าม) โดยอาจมีแรงกระทำต่อวัตถุหรือไม่ก็ได้ ถ้ามีแรงกระทำ ทิศของแรงที่กระทำจะอยู่ในแนวเดียวกับแนวการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ


  • การเคลื่อนที่แนวโค้ง : วัตถุจะมีการเคลื่อนที่ 2 แนวพร้อมๆ กัน เช่น เคลื่อนที่ในแนวราบและในแนวดิ่ง แรงที่กระทำต่อวัตถุจีทิศคงตัวตลอดเวลา โดยทำมุมใดๆ กับทิศของความเร็ว เช่น แรงดึงดูดของโลก


  • การเคลื่อนที่วงกลม : วัตถุเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งรอบจุดๆ หนึ่ง โดยมีแรงกระทำในทิศเข้าสู่ศูนย์กลาง


  • การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย : วัตถุจะเคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำรอยเดิมโดยมีแอมพลิจูดคงตัว
แรงกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ (แรงที่กระทำต่อวัตถุ)

การออกแรงกระทำต่อวัตถุอาจทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ หรือวัตถุอาจไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากมีแรงย่อยอื่นมาร่วมกระทำ ทำให้เกิดการหักล้างของแรงในปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นวัตถุที่จะเคลื่อนที่ได้หรือไม่ได้ก็ขึ้นอยู่กับแรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุนั่นเอง

เมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากถูกหักล้างด้วยแรงอื่นที่ร่วมกระทำต่อวัตถุนั้น แต่ไม่ว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่หรือไม่เคลื่อนที่ก็ตามจะเกิดแรงลัพธ์ของวัตถุเสมอ

แรงเป็นปริมาณที่มีขนาดและทิศทาง 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

แรงชนิดต่าง

แรงลัพธ์ หรือแรงรวม หมายถึง ผลรวมของแรงย่อยแบบเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ ถ้าแรงลัพธ์มีค่าเป็นศูนย์ แสดงว่าวัตถุไม่มีการเคลื่อนที่อันเนื่องมาจากแรงที่มากระทำต่อวัตถุ


แรงย่อย หมายถึง แรงที่เป็นองค์ประกอบของแรงลัพธ์

การหาค่าแรงลัพธ์จากเวกเตอร์

  1. เมื่อแรงย่อยมีทิศทางเดียวกัน ให้นำแรงย่อยมารวมกัน สามารถเขียนเวกเตอร์แทนแรงได้ด้วยเส้นตรงและหัวลูกศร

  2. เมื่อแรงย่อยมีทิศทางตรงกันข้าม ให้นำค่าของแรงย่อยมาหักล้างกัน เวกเตอร์ของแรงลัพธ์จะมีทิศไปทางแรงที่มากกว่า ค่าของแรงลัพธ์เท่ากับผลต่างของแรงย่อยทั้งสอง

  3. ถ้าแรงย่อยเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงข้าม จะได้แรงลัพธ์มีค่าเป็นศูนย์และไม่มีความเร่ง ดังนั้นวัตถุจะคงสภาพเดิม

การเขียนปริมาณเวกเตอร์ เขียนแทนด้วยเส้นตรงที่มีหัวลูกศรกำกับความยาวของเส้นตรงแทนขนาดของเวกเตอร์ และหัวลูกศรแทนทิศทางของเวกเตอร์ การเขียนสัญลักษณ์ของเวกเตอร์เขียนได้หลายแบบ เช่น เวกเตอร์ A สามารถเขียนสัญลักษณ์แทนเป็น หรือ a

การหาแรงรวมหรือแรงลัพธ์ด้วยการเขียนรูป

  1. ใช้เส้นตรงแทนขนาดของแรงและใช้ลูกศรแทนทิศของแรง


  2. เริ่มต้นด้วยแรงตัวที่ 1 แล้วนำแรงตัวที่ 2 มาชนโดยให้หางลูกศรของแรงตัวที่ 1 ชนกับหัวลูกศรของแรงตัวที่ 1 ต่อกันเช่นนี้เรื่อยไป

แรงโน้มถ่วงของโลก

จากกฏความโน้มถ่วงของนิวตัน แรงโน้มถ่วง (gravity) ของโลกที่กระทำกับวัตถุมวลใดๆ ในที่นี้จะศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างมวลและน้ำหนักของมวล ว่า แรงสามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่างหรือเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ เช่น ถ้าปล่อยมือจากวัตถุที่ถือไว้ วัตถุจะเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ตกลงสู่พื้นเนื่องจากมีแรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อวัตถุ หรือที่เรียกว่า แรงโน้มถ่วงของโลก โดยแรงนี้จะมีค่ามากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุนั้นๆ โดยวัตถุที่มีมวลมากก็จะมีน้ำหนักมาก วัตถุที่มีมวลน้อยก็จะมีน้ำหนักน้อย

ประโยชน์ที่ได้จากแรงโน้มถ่วงของโลก เช่น ทำให้วัตถุต่างๆ ไม่ลอยออกไปนอกโลก ทำให้น้ำไหลจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำและใช้พลังงานของน้ำในการผลิตกระแสไฟฟ้า

มวล คือ ปริมาณเนื้อของสารซึ่งมีค่าคงตัว มีหน่วยเป็นกิโลกรัม

น้ำหนัก ของวัตถุบนโลก เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของวัตถุและโลก


น้ำหนักของวัตถุชิ้นหนึ่งๆ เมื่อชั่งในปริมาณต่างกันจะมีค่าต่างกัน โดยน้ำหนักของมวล 1 กิโลกรัมที่บริเวณเส้นศูนย์สูตรมีค่าประมาณ 9.78 นิวตัน ในขณะที่น้ำหนักของมวล 1 กิโลกรัม ที่บริเวณขั้วโลกมีค่าประมาณ 9.83 นิวตัน

แรงเสียดทาน

แรงเสียดทาน (friction) หมายถึง แรงที่ต่อต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ แรงเสียดทานเกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุกับผิวของพื้น เช่น เมื่อเราเข็นรถเข็นเด็ก


ปัจจัยที่มีผลต่อแรงเสียดทาน คือ

  1. น้ำหนักของวัตถุ วัตถุที่มีน้ำหนักกดทับลงบนพื้นผิวมากจะมีแรงเสียดทานมากกว่าวัตถุที่มีน้ำหนักกดทับลงบนพื้นผิวน้อย

  2. พื้นผิวสัมผัส ผิวสัมผัสที่เรียบจะเกิดแรงเสียดทานน้อยกว่าผิวสัมผัสที่ขรุขระจากนั้นน้องๆ ดูการทดลองเรื่องแรงต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุ ดังนี้

จากสรุปจากผลการทดลอง ได้ว่า "แรงต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เกิดขึ้นบริเวณผิวสัมผัสของวัตถุทั้งสองขณะเคลื่อนที่ คือ แรงเสียดทาน"

นอกจากนี้ แรงเสียดทานจะมีค่าเปลี่ยนไปเมื่อลักษณะผิวสัมผัสระหว่างวัตถุเปลี่ยนไป โดยถ้าผิวสัมผัสเป็นผิวหยาบหรือขรุขระ แรงเสียดทานจะมีค่ามาก แต่ถ้าผิวสัมผัสเรียบหรือลื่น แรงเสียดทานจะมีค่าน้อย


ความต่างมวลของวัตถุกับแรงเสียดทาน

"แรงเสียดทานจะมีค่าเพิ่มขึ้น เมื่อจำนวนถุงทรายเพิ่มขึ้น เพราะเมื่อจำนวนถุงทรายเพิ่มขึ้น แรงที่ถุงทรายกดพื้นก็จะมากขึ้นด้วย แสดงว่า แรงเสียดทานระหว่างวัตถุคู่หนึ่งๆ จะมากขึ้นกับแรงที่วัตถุกดพื้นมีค่ามากขึ้น

ประเภทของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

  • แรงเสียดทานสถิต (fs) เป็นแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่วัตถุอยู่นิ่ง จนถึงเริ่มต้นเคลื่อนที่

  • แรงเสียดทานจลน์ (fk) เป็นแรงเสียดทานขณะวัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว ซึ่งจะมีค่าน้อยกว่าแรงเสียดทานสถิต
ค่าสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน เป็นค่าตัวเลขที่แสดงว่าเกิดแรงเสียดทานขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ 2 สิ่ง มากน้อยเพียงใด ใช้สัญลักษณ์แทนด้วยตัวอักษร µ (มิว)

สูตรการหาค่าสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน (µ) ดังนี้


ตัวอย่าง การหาค่าสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานมีทั้งประโยชน์และโทษ บางครั้งในชีวิตประจำวันเราก็ได้ประโยชน์จากแรงเสียดทาน การเกิดความฝืดช่วยในการเดินได้เร็วและไม่ลื่น เป็นต้น

ประโยชน์และโทษของแรงเสียดทาน

มนุษย์เรามีความรู้เกี่ยวกับแรงเสียดทานมาใช้ประโยชน์ เพื่ออำนวยความสะดวกในชีวิตประจำวัน ดังนี้

  1. ช่วยให้รถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ ยางรถจึงมีร่องยางช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการยึดเกาะถนนที่เรียกว่า ดอกยาง

  2. ช่วยให้รถถอยหลังได้ ยางรถยนต์จึงมีลวดลายดอกยางเพื่อช่วยในการยึดเกาะถนน

  3. การเดินบนพื้นต้องอาศัยแรงเสียดทาน จึงควรใช้รองเท้าที่มีพื้นเป็นยางและมีลวดลายขรุขระ ไม่ควรใช้รองเท้าแบบพื้นเรียบ แรงเสียดทานน้อยจะทำให้ลื่น

  4. นักวิ่งเร็วที่ใช้รองเท้าพื้นตะปู เพื่อเพิ่มแรงเสียดทาน ทำให้มีแรงยึดเกาะกับพื้นผิวลู่วิ่งช่วยให้วิ่งได้เร็วขึ้น
โทษของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานทำให้สิ้นเปลืองพลังงานและทำให้เกิดการสึกหรอของอุปกรณ์ต่างๆ ในเครื่องจักร ดังนั้นการหาวิธีลดแรงเสียดทาน เพื่อรักษาประสิทธิภาพในการทำงานของเครื่องจักรกลทั้งหลาย คือ


โมเมนต์

โมเมนต์ (moment) เป็นความสามารถของแรงในการหมุนวัตถุรอบจุดหมุน ขนาดของโมเมนต์หาได้จาก แรงคูณกับระยะทางตั้งฉากจากจุดที่แรงกระทำไปยังจุดหมุน


เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุ โดยแนวแรงไม่ผ่านจุดศูนย์กลางมวล วัตถุนั้นจะหมุนรอบๆ จุดศูนย์กลางมวล ผลของการเกิดขึ้นเรียกว่า โมเมนต์

เช่น การปั่นจักรยาน การเปิดฝาขวด การเปิดประตู เป็นต้น


โมเมนต์ เป็นผลคูณของแรงกับระยะทางในแนวตั้งฉากจากจุดที่แรงกระทำไปยังจุดหมุนหน่วยของโมเมนต์ คือ

  • นิวตัน.เมตร (N.m)
ชนิดของโมเมนต์จำแนกตามลักษณะของการหมุน คือ


กฎของโมเมนต์

เมื่อวัตถุหนึ่งถูกกระทำด้วยแรงหลายแรง ซึ่งแรงกระทำนั้นๆ ทำให้วัตถุอยู่ในภาวะสมดุล (ไม่เคลื่อนที่และไม่หมุน) พบว่า

ผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา  =  ผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา

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


ที่มาข้อมูล : - หนังสือแบบเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 (สสวท) กระทรวงศึกษาธิการ
- คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐาน กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 (สสวท) กระทรวงศึกษาธิการ
จำนวนคนอ่าน 149280 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved