ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

การเคลื่อนที่แบบต่างๆ : การเคลื่อนที่แบบวงกลม
 
ระดับชั้น : มัธยม 4

การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
การเคลื่อนที่แบบวงกลม


การเคลื่อนที่แบบวงกลมอย่างสม่ำเสมอ เป็นการเคลื่อนที่แบบที่สอง ที่จะศึกษาเป็นการเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสม่ำเสมอ โดยมีแรงกระทำต่อวัตถุในทิศเข้าสู่ศูนย์กลางและตั้งฉากกับทิศของความเร็วตลอดเวลา

น้องๆ หลายคนคงเคยเล่นสเกตในลานสเกตที่โค้งเป็นวงกลม บางคนอาจเคยนั่งรถไปบนถนนที่โค้งมากๆ บางคนอาจสังเกตเห็นนกบินโฉบวนวกไปมา ซึ่งการเคลื่อนที่เช่นนี้ เป็น การเคลื่อนที่แบบวงกลม

การเคลื่อนที่แบบวงกลม (circular motion) เป็นการเคลื่อนที่โดยมีแรงกระทำเข้าสู่ศูนย์กลางของวงกลม และจะเกิดความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง ความเร็วจะมีค่าไม่คงที่ เพราะมีการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ โดยความเร็ว ณ ตำแหน่งใดจะมีทิศสัมผัสกับวงกลม ณ ตำแหน่งนั้น

การเคลื่อนที่เป็นวงกลมในแนวระดับ

เมื่อวัตถุมวล m เคลื่อนที่เป็นวงกลม จะมีแรงกระทำต่อวัตถุ ซึ่งมีทิศเข้าหาศูนย์กลางของการเคลื่อนที่นั้นเสมอ เรียกว่า แรงสู่ศูนย์กลาง (centripetal force, Fc)

การเคลื่อนที่เป็นวงกลมมีความเร่งสู่ศูนย์กลาง ซึ่งสมการของแรงสู่ศูนย์กลาง คือ



การทดลองคาบของการเคลื่อนที่ในแนววงกลมเป็นการทดลองเพื่อหาคาบ (T) ของการเคลื่อนที่ในแนววงกลมในระนาบระดับ โดยเปลี่ยนค่าแรงดึงในเส้นเชือก (F) เพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง



 กิจกรรม การเคลื่อนที่เป็นวงกลมในแนวระดับ

ขั้นตอนการทำกิจกรรม

  1. เหวี่ยงจุกยางในชุดการเคลื่อนที่แบบวงกลม ให้เคลื่อนที่เป็นวงเหนือศีรษะ ดังภาพ หน้า 17 สสวท สังเกตเส้นทางเดินของจุกยาง อัตราเร็วในการเคลื่อนที่ ความยาวของเชือก และแรงดึงเชือก

  2. ลองเหวี่ยงจุกยางด้วยเงื่อนไขที่ต่างไปจากเดิม เช่นเหวี่ยงด้วยอัตราเร็วเพิ่มขึ้น แต่ความยาวของเชือกเท่าเดิม หรือเหวี่ยงด้วยอัตราเร็วคงตัว แต่เปลี่ยนความยาวของเชือก หรือคิดเปลี่ยนเงื่อนไขอื่นๆ ตามความสนใจ สังเกตและอธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของจุงยางในแต่ละกรณี

  3. สรุปผลการทดลอง
ขณะที่จุกยางเคลื่อนที่แบบวงกลมไปรอบมือ เราจะรู้สึกว่าเชือกออกแรงดึงมือ โดยทิศของแรงพุ่งออกจากมือ และในขณะเดียวกัน เชือกก็จะดึงจุกยาง โดยทิศของแรงพุ่งเข้าหามือตลอดเวลาด้วย ดังภาพ



จากภาพ จุกยางเคลื่อนที่แบบวงกลม วิเคราะห์ได้ดังนี้

  1. ขณะรัศมีคงตัว ถ้าขนาดของแรงสู่ศูนย์กลางเพิ่มขึ้น คาบของการเคลื่อนที่จะลดลง


  2. กราฟระหว่างขนาดของแรงดึงในเส้นเชือก F กับส่วนกลับของคาบกำลังสอง

    เป็นกราฟเส้นตรงผ่านจุดกำเนิด ซึ่งแสดงว่า F แปรผันตรงกับ

    ถ้ากราฟระหว่าง และ F ไม่เป็นเส้นตรง อาจเกิดจากสาเหตุต่างๆ ดังนี้

    • การจับเวลาผิดพลาด เช่น จับเวลาเกิน

    • การแกว่งแต่ละครั้งอัตราเร็วของจุกยางไม่คงตัว

    • การแกว่งจุกยางไม่ได้ทำให้จุกยางเคลื่อนที่ในแนววงกลมในระนาบระดับจริง

  3. เมื่อทราบว่าคาบเป็นเวลาที่จุกยางเคลื่อนที่ในแนววงกลมครบ 1 รอบ ดังนั้น



  4. ขณะแกว่งจุกยางให้เคลื่อนที่ในแนววงกลมในระนาบระดับ จะเห็นว่าเส้นเชือกไม่อยู่ในแนวระดับ เพราะน้ำหนักของจุกยาง ทำให้เส้นเชือกเอียงทำมุมกับแนวระดับเล็กน้อย ดังภาพ

เรากำหนดให้ F เป็นแรงดึงของเส้นเชือก

แรงที่กระทำกับจุกยางให้เคลื่อนที่ในแนววงกลม คือ แรงองค์ประกอบในแนวระดับของ F ซึ่งเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง FC



ซึ่งในการทดลองนี้ แม้ว่ามุม θ จะเปลี่ยนไปบ้างเมื่อเปลี่ยนจำนวนนอต แต่ในการแกว่งจุกยางครั้งหนึ่งๆ มุม θ เปลี่ยนแปลงน้อยมาก ค่า cos θ ในการแกว่งแต่ละครั้ง จึงถือได้ว่า เป็นค่าคงตัว

การเคลื่อนที่แบบวงกลมในธรรมชาติ เช่น การโคจรของโลกและดาวเคราะห์อื่นๆ รอบดวงอาทิตย์ สามารถอธิบายได้ด้วยหลักของการเคลื่อนที่แบบวงกลมที่เรียนรู้ไปแล้ว นั่นคือ มีแรงสู่ศูนย์กลางกระทำต่อโลก จึงจะทำให้โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ได้

แรงที่กระทำต่อโลกและทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลาง คือแรง ?

เซอร์ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton)ได้เสนอกฎแรงดึงดูดระหว่างมวล (law of gravity) ซึ่งมีใจความว่า วัตถุทุกชนิดในเอกภพจะส่งแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน โดยขนาดของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุจะแปรผันตรงกับผลคูณระหว่างมวลของวัตถุทั้งสอง และแปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุกำลังสอง

น้องๆ ลองพิจารณาแรงดึงดูดระหว่างมวลคู่หนึ่งต่อไปนี้

วัตถุ 1 และวัตถุ 2 จะส่งแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน โดยแรงที่วัตถุ 1 ดึงดูดวัตถุ 2 มีค่าเท่ากับแรงที่วัตถุ 2 ดึงดูดวัตถุ 1 แต่มีทิศทางตรงข้ามกัน ดังนั้น จึงมีแรงดึงดูดระหว่างดวงอาทิตย์กับโลก นั่นคือ ขณะที่โลก โคจรรอบดวงอาทิตย์จะมีแรงโน้มถ่วงที่ดวงอาทิตย์ดึงดูดโลก ซึ่งมีทิศสู่ศูนย์กลาง

การเคลื่อนที่แบบวงกลมของวัตถุทั้งหมดนี้ มีลักษณะเฉพาะคือ เป็นการเคลื่อนที่ที่วัตถุจะเคลื่อนที่กลับมาซ้ำทางเดิมเสมอ ช่วงเวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ เรียกว่า คาบ (period) ซึ่งมีหน่วยเป็นวินาที และจำนวนรอบที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ใน 1 หน่วยเวลา เรียกว่า ความถี่ (frequency) ซึ่งมีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (hertz)

ดังนั้น สรุปสูตร การเคลื่อนที่แบบวงกลม ได้ดังนี้

ความเร่งสู่ศูนย์กลาง

แรงสู่ศูนย์กลาง (การเคลื่อนที่บนทางโค้ง)

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
หน้าถัดไป


ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐาน การเคลื่อนที่และพลังงาน กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ม.4 สสวท 2544
คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม1 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ม.4สสวท 2544
จำนวนคนอ่าน 100770 คน
   
 

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