บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง

    เมื่อเวลาเปลี่ยนไปวัตถุเปลี่ยนแปลงตำแหน่งวัตถุนั้นจะมีการเคลื่อนที่ ในชีวิตประจำวันเราพบเห็นสิ่งต่าง ๆ เคลื่อนที่มากมาย เช่น รถยนต์แล่นไปมา วัตถุตกหรือกลิ้ง นกหรือแมลงบิน ลมพัด น้ำไหล จิ้งจกหรือตุ๊กแกไต่ตามผนังหรือเพดาน โลกหมุนรอบตัวเองและหมุนรอบดวงอาทิตย์ การเคลื่อนที่ของดวงดาวและดาราจักร (Galaxy) ต่าง ๆ ในเอกภพ หรือแม้แต่ตัวเราเองที่ต้องเดินหรือใช้ยานพาหนะเพื่อเดินทางเพื่อการดำรงชีวิต การเคลื่อนที่จึงมีความสำคัญต่อสิ่งต่าง ๆ ในเอกภพนี้มาก

ในบทนี้เราจะศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุโดยไม่คำนึงถึงสาเหตุที่ทำให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ ซึ่งเราเรียกว่า “จลน์ศาสตร์ (Kinematics)” ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่สำคัญ เพราะจะเป็นพื้นฐานของการศึกษาฟิสิกส์เรื่องอื่น ๆ

1. นิยามการเคลื่อนที่

1.1 ระยะทาง (Distance)

    จากการศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุ เช่น รถยนต์ สัตว์ วัตถุตกในอากาศ พบว่าตำแหน่งของวัตถุมีการเปลี่ยนไปจากเดิม หรือกล่าวว่าวัตถุจะเลื่อนจากตำแหน่งเดิมไปยังตำแหน่งใหม่ ซึ่งจะเรียกการเคลื่อนที่เช่นนี้ว่า การเคลื่อนที่แบบเลื่อนตำแหน่ง (translation motion) ถ้าเราทราบตำแหน่งเริ่มต้นเส้นทางการเคลื่อนที่และตำแหน่งสุดท้ายของการเคลื่อนที่ ก็จะได้ระยะทางจากความยาวตามเส้นทางการเคลื่อนที่นั้น ระยะทางใช้สัญลักษณ์ “s” เป็นปริมาณสเกลาร์ คือมีแต่ขนาดเพียงอย่างเดียว แต่ไม่บอกทิศทาง มีหน่วยเป็น เมตร (m)

1.2 การกระจัด (Displacement)

    เมื่อวัตถุมีการเคลื่อนที่จากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง การบอกตำแหน่งใหม่เทียบกับตำแหน่งเดิม เพื่อให้เข้าใจได้ชัดเจนต้องบอกทั้งระยะห่างและทิศทาง ปริมาณที่บอกให้ทราบถึงการเปลี่ยนตำแหน่ง เรียกว่า การกระจัด การกระจัด ใช้สัญลักษณ์ “ sv” เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็น เมตร (m) การกระจัดหาได้จากเส้นตรง ที่เขียนหัวลูกศรกำกับโดยลากจากจุดเริ่มต้นไปยังจุดสุดท้ายของการเคลื่อนที่ ความยาวของเส้นตรงแทนขนาดของการกระจัดและทิศที่หัวลูกศรชี้จะแทนทิศของการกระจัด

1.3 อัตราเร็ว (Speed)

     เมื่อวัตถุมีการเคลื่อนที่ ปริมาณที่บอกได้ว่าวัตถุนั้นเคลื่อนที่ได้เร็วมากหรือน้อยนั้น คือ อัตราเร็ว ซึ่งโดยทั่วไป อัตราเร็ว หมายถึง ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งเวลา หรือ อัตราการเปลี่ยนระยะทาง อัตราเร็วเป็นปริมาณสเกลาร์ ใช้สัญลักษณ์ “ v ” มีหน่วย เมตรต่อวินาที ( m/s)

    เมื่อ v คือ อัตราเร็วของวัตถุ มีหน่วย เมตรต่อวินาที (m / s)
    s คือ ระยะทางของวัตถุ มีหน่วย เมตร (m)
    t คือ เวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ มีหน่วย วินาที (s)
    อัตราเร็วสามารถแบ่งออกได้ ดังนี้

    1. อัตราเร็วเฉลี่ย (Vav)

      อัตราเร็วเฉลี่ย (Vav) คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา (ในช่วงเวลาหนึ่งที่กำลังพิจารณาเท่านั้น) สามารถเขียนเป็นสมการได้

    2. อัตราเร็วขณะใดขณะหนึ่ง (Vt)

      อัตราเร็วขณะใดขณะหนึ่ง (Vt) คือ ระยะทางที่เคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา เมื่อช่วงเวลาที่เคลื่อนที่น้อยมากๆ สามารถเขียนสมการได้

เมื่อ Vt คืออัตราเร็วขณะใดขณะหนึ่ง มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m / s)

    3. อัตราเร็วคงที่ ( V)

    อัตราเร็วคงที่ ( V) คือ การบอกให้ทราบว่าวัตถุมีการเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอ ไม่ว่าจะพิจารณาในช่วงเวลาใด ๆ

1.4 ความเร็ว (velocity)

เมื่อวัตถุมีการเคลื่อนที่ ตำแหน่งของวัตถุจะเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของวัตถุอาจทำให้ทราบว่าวัตถุเคลื่อนที่มีลักษณะอย่างไร โดยมีการกำหนดว่า อัตราการเปลี่ยนแปลงการกระจัด หรือ การกระจัดที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า ความเร็ว เนื่องจากการกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ ความเร็วจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยหน่วยของความเร็ว คือ เมตรต่อวินาที (m / s) เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ “ V ”

   3. ความเร็วคงที่ (V)

       ความเร็วคงที่ คือ วัตถุที่มีการเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง ไม่ว่าจะพิจารณาในช่วงเวลาใด ๆ หาได้จากการกระจัดที่เปลี่ยนไปในเวลาหนึ่งหน่วย

1.5 ความเร่ง (Acceleration)

จากการศึกษาพบว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุพบว่า ในบางครั้งอาจมีการเปลี่ยนแปลงทิศทาง การเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ทีมีการเปลี่ยนแปลงขนาดหรือทิศทางของความเร็ว เรียกว่า ความเร่ง โดยทั่วไปความเร่งหมายถึง อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็ว หรือ ความเร็วที่เปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลา เนื่องจากความเป็นปริมารเวกเตอร์ ความเร่งจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์ หน่วยของความเร่ง คือ เมตรต่อวินาที 2 (m/s2)

ข้อควรจำ ความเร่งที่มีทิศเดียวกับความเร็วขณะนั้น จะทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้น เรียกว่า “ความเร่ง” ความเร่งที่มีทิศตรงข้ามกับความเร็วขณะนั้น จะทำให้ความเร็วลดลง เรียกว่า “ความหน่วง

    2. การเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วยความเร็วคงที่

      ถ้าเราสังเกตการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ จะพบว่าส่วนมากในขณะวัตถุเคลื่อนที่นั้น ตำแหน่งของวัตถุจะเปลี่ยนไปพร้อมกับหมุน ดังภาพ ถ้าเราสนใจเฉพาะกรณีวัตถุขนาดเล็กและไม่สนใจการหมุนขณะเคลื่อนที่ เราเรียกการเคลื่อนที่ลักษณะนี้ว่า “การเคลื่อนที่เชิงเส้น”ถ้าวัตถุเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วยความเร็วคงที่ อัตราเร็วหรือขนาดความเร็วของวัตถุที่ตำแหน่งต่างๆ จะเท่ากันหมดและทิศทางเหมือนเดิมเสมอ เส้นทางการเคลื่อนที่จะเป็นเส้นตรง สมการการเคลื่อนที่เป็นไปตามสมการ S = vt

    3. การเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วยความเร็วไม่คงที่

      กรณีนี้ความสัมพันธ์ระหว่างการกระจัด S ความเร็ว ณ วินาทีที่เริ่มพิจารณาหรือตำแหน่งที่เริ่มพิจารณา ซึ่งนิยมเรียกว่า “ความเร็วต้น” u ความเร็ว ณ วินาทีสุดท้ายที่พิจารณาหรือตำแหน่งสุดท้ายที่พิจารณา ซึ่งนิยมเรียกว่า “ความเร็วปลาย” v ความเร่งคงที่ a และเวลาที่ผ่านไป t เป็นตามความสัมพันธ์ดังสมการต่อไปนี้

    4. การเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก

      กาลิเลโอ ได้ทำการทดลองให้เห็นว่า วัตถุที่ตกลงสู่พื้นโลกอย่างอิสระจะเคลื่อนที่ภายใต้แรงดึงดูดของโลก ต่อมานิวตันสังเกตเห็นว่า ทำไมผลแอปเปิ้ลจึงตกลงสู่พื้นดิน จนกระทั่งในที่สุดก็สามารถพิสูจน์ในเรื่อง กฎแห่งการดึงดูดระหว่างมวล ซึ่งผลแอปเปิ้ลกับโลกก็มีแรงดึงดูดระหว่างกัน โดยผลแอปเปิ้ลเมื่อหลุดจากขั้วจะเคลื่อนที่อิสระตามแรงดึงดูดนั้น การเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก หากสังเกตจะพบว่าวัตถุไม่ว่าจะมีมวลเท่าใด (ซึ่งหากมากพอแรงต้านของอากาศจะไม่มีผลกระทบมากนัก) จะตกลงสู่พื้นด้วยคงวามเร่งสม่ำเสมอ นั่นคือ ความเร่งมีค่าคงตัวและมีทิศลงในแนวดิ่งเสมอ ซึ่งการตกของวัตถุภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก คือ การตกอย่างเสรี (free fall) ซึ่งความเร่งนี้เป็นผลจากแรงดึงดูดของโลกเนื่องจากสนามโน้มถ่วง (gravity) ค่าความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก ( g ) ค่ามาตรฐานคือ 9.8065 m/s² เพื่อความสะดวกในการคำนวณจะใช้ 10 m/s²

หา'ค่าในแนวดิ่ง'กัน