บทที่ 3 แรงและกฎการเคลื่อนที่

1. แรง (Force)

    วัตถุอาจมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว หรือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ซึ่งอะไรคือสาเหตุที่ทำให้วัตถุมีการเคลื่อนที่เป็นแบบดังกล่าว โดยปริมาณที่เกี่ยวข้องกับลักษณะการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวตรง ได้แก่ ระยะทาง, การกระจัด, อัตราเร็ว, ความเร็ว, ความเร่ง และช่วงเวลา หากเดิมมีวัตถุหยุดนิ่งอยู่กับที่แล้วต้องการให้วัตถุเคลื่อนที่ หรือถ้ากำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแล้วต้องการให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็ว พบว่า จะต้องมีแรงมากระทำกับวัตถุ แสดงว่า แรงที่กระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุมีความเร็วเปลี่ยนไป ซึ่งอาจเปลี่ยนเฉพาะขนาด หรือทิศทาง หรืออาจเปลี่ยนทั้งขนาดและทิศทางก็เป็นได้

แรง  คือ ความพยายามที่จะทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง โดยการเปลี่ยนแปลงของวัตถุ มีในลักษณะต่างกัน เช่น รูปร่าง ตำแหน่ง หรือการหมุน ซึ่งเกิดจากการกระทำของแรงในลักษณะต่าง ๆ และอาจจะมีแรงมากกว่า 1 แรงที่มากระทำต่อวัตถุนั้น

เนื่องจากแรงเป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง จึงจัดได้ว่าแรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยคือ นิวตัน (N)

1.1 องค์ประกอบของแรง

1.2 การหาแรงลัพธ์

    จากความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเวกเตอร์ ถ้าหากมีแรงกระทำกับวัตถุมากกว่า 1 แรง จะสามารถรวมแรงเหล่านั้น 1. วิธีการวาดรูปแบบหางต่อหัว การหาแรงลัพธ์ด้วยวิธีการนี้ ต้องนำหางของแรงที่สองไปวางต่อหัวลูกศรของแรงแรก และนำหางของแรงที่สามไปตัวหัวของแรกที่ 2 ทำวิธีการนี้ไปเรื่อยๆ จนครบทุกแรง แรงลัพธ์ที่ได้ คือ แรงที่ลากจากหางของตัวแรกไปยังหัวของแรงตัวสุดท้าย

2. วิธีการคำนวณ

    วิธีการคำนวณ ใช้สำหรับการหาแรงลัพธ์ของแรงย่อยที่มี 2 แรง แบ่งได้ 3 ลักษณะ คือ

2.1 แรงทั้งสองไปในทิศทางเดียวกัน

    แรงลัพธ์มีขนาดเท่ากับผลบวกของแรงทั้งสอง ส่วนทิศทางของแรงลัพธ์ ไปทางเดียวกับทิศทางของแรงทั้งสอง จะได้ว่า

2. มวล และน้ำหนัก

   2.1 มวล (Mass)

    พบว่าแรงสามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ได้ แต่ในการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ นอกจากจะขึ้นอยู่กับแรงแล้วยังพบว่ามีปริมาณอื่นที่มีความเกี่ยวข้องด้วย ดังตัวอย่างเหตุการณ์ต่อไปนี้ ถ้านำขวดพลาสติกขนาดเท่ากับ 3 ใบ แล้วใช้กระดาษหุ้มให้มิดชิด ใบแรกภายในวางเปล่า ใบที่สองเติมน้ำลงไปครึ่งขวด และใบที่สามเติมน้ำจนเต็มขวด แล้วแขวนไว้ในแนวดิ่งและลองขยับขวดไปมาในแนวระดับ3

   2.2 น้ำหนัก (Weight)

    จากการศึกษาการตกอย่างเสรีของวัตถุใกล้ผิวโลก พบว่า เมื่อมีแรงมากระทำกับวัตถุ จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว ซึ่งแรงที่มากระทำกับวัตถุนั้นคือ แรงดึงดูดของโลก ที่กระทำต่อวัตถุ อาจเรียกแรงนี้ว่า น้ำหนักของวัตถุ

       2.3.1 กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน

          จากการศึกษาเกี่ยวกับแรงและสภาพการเคลื่อนที่ พบว่า ถ้าวัตถุวางนิ่งอยู่บนพื้นราบแล้วไม่มีแรงอื่นใดมากระทำต่อวัตถุ วัตถุจะคงอยู่นิ่งต่อไปหรือถ้าให้แรง 2 สองแรงที่มีขนาดเท่ากันมากระทำกับวัตถุในทิศตรงข้ามกัน พบว่า วัตถุยังคงหยุดนิ่งเช่นเดิม นิวตัน ได้สรุปเกี่ยวกับการรักษาสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ มีใจความว่า “วัตถุจะรักษาสภาพอยู่นิ่งหรือสภาพการเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอเป็นแนวตรง นอกจากจะมีแรงลัพธ์ที่ซึ่งมีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ” สามารถกล่าวได้ว่า ผลรวมของแรงที่กระทำต่อวัตถุทั้งหมดมีค่าเป็นศูนย์

       2.3.2 กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน

          จากการศึกษาสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ และกฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตันทำให้ทราบว่าถ้าไม่มีแรงมากระทำหรือมีแรงหลายแรงมากระทำ แต่แรงลัพธ์ของแรงเหล่านั้นเป็นศูนย์แล้ววัตถุจะไม่มีการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ แต่ถ้าแรงที่มีกระทำแล้วแรงลัพธ์ไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ คือ ความเร็วของวัตถุอาจเพิ่มขึ้นหรือลดลง หรืออาจเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ ซึ่งเรียกว่า วัตถุมีความเร่ง นิวตัน ได้สรุปเกี่ยวกับแรงและการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุว่า “เมื่อมีแรงลัพธ์ที่มีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุเกิดความเร่งในทิศเดียวกับแรงลัพธ์ที่มากระทำ โดยขนาดของความเร่งนี้จะแปรผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ์ แต่จะแปรผกผันกับมวลของวัตถุ” สรุปได้ว่า ผลรวมของแรงที่กระทำต่อวัตถุทั้งหมดมีค่าไม่เป็นศูนย์

       2.3.3 กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน

          จากการศึกษากฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งและสองของนิวตัน เป็นการอธิบายสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุ ตากการศึกษาพบว่า เมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุ วัตถุ จะออกแรงตอบโต้ที่มากระทำนั้น เช่น เมื่อออกแรงดันกำแพง จะรู้สึกได้ว่ากำลังก็ออกแรงดันมือเช่นเดียวกัน นิวตัน ได้สรุปความสัมพันธ์ระหว่างแรงกิริยากับแรงปฏิกิริยาว่า “ทุกแรงกิริยาย่อมมีแรงปฏิกิริยาขนาดเท่ากันกระทำในทิศตรงกันข้ามเสมอ หรือแรงกระทำซึ่งกันและกันของวัตถุสองก้อนย่อมมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงกันข้าม” สรุปได้ว่า จะมีแรงเกิดขึ้นตรงตำแหน่งที่กระทำสองแรงขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้าม

  2.4 กฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน

    ความคิดของมนุษย์ในสมัยโบราณ เชื่อว่า โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล การเกิดกลางวันและกลางคืน ต่อมาความคิดก็เปลี่ยนไปว่า โลกอาจไม่ใช่ศูนย์กลางของจักรวาล สิ่งต่างๆ ที่เกิดขึ้นนั้นไม่ใช่เทพเจ้าใดๆ โดยประมาณ ค.ศ.1500 นิโคลัส โคเปอร์นิคัส พิสูจน์ได้ว่า โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์

    สังเกตการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และจดบันทึกตำแหน่งอย่างละเอียดทุกวันเป็นเวลานับสิบปี ผลการสังเกตครั้งนี้ทำให้เขา ไม่เชื่อในคำอธิบายการโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ของโคเปอร์นิคัส แต่ผลการสังเกตและการสรุปผลนี้ไม่เป็นผลสำเร็จในช่วงที่ทิโค บราห์ยังมีชีวิต โยฮันเนส เคปเลอร์ เคปเลอร์ได้บันทึกตำแหน่งดาวเคราะห์เพิ่มเติมแล้วจึงตั้งแบบจำลองที่อธิบายการเคลื่อนที่ของดวงดาวต่างๆ ว่าดาวเคราะห์จะโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยทิโค บราห์ด้วยแบบจำลองของเขาพบว่าแบบจำลองของเขาจะมีความถูกต้องแม่นยำมากกว่าการอธิบายด้วยแบบจำลองของโคเปอร์นิคัส โดยได้เสนอกฎ 3 ข้อ ดังนี้

1. กฎแห่งการโคจรเป็นวงรี กล่าวว่า

“ทางโคจรของดาวเคราะห์เป็นรูปวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งจุดโฟกัสจุดหนึ่ง”

2. กฎแห่งพื้นที่ กล่าวว่า

“เมื่อดาวเคราะห์โคจรไปรอบดวงอาทิตย์ เส้นตรงที่ต่อระหว่างดวงอาทิตย์กับดาวเคราะห์นั้นจะกวาดพื้นที่ได้เท่ากันภายในเวลาเท่ากัน”

3. กฎแห่งคาบ กล่าวว่า

“กำลังสองของคาบของดาวเคราะห์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสามของระยะทางเฉลี่ยดาวเคราะห์ไปยังดวงอาทิตย์” ดังนี้

      2.4.1 มวลของโลก

          หามวลวัตถุได้ คือ การชั่ง แต่ทว่าวิธีการชั่วสามารถทำได้เฉพาะวัตถุที่มีขนาดเล็กเท่านั้น หากวัตถุมีขนาดใหญ่มากๆ เช่น โลก ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ต่าง จะไม่สามารถนำสิ่งเหล่านี้มาชั่งเพื่อหามวลได้ สามารถทำได้โดยการใช้กฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน

      2.4.2 ความเร่งโน้มถ่วง

          สำหรับการหาความเร่งโน้มถ่วงสามารถแยกออกได้ 2 ลักษณะ ดังนี้

1. การหาความเร่งโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งที่อยู่นอกดาวเคราะห์ ให้วัตถุมวล อยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของดาวเคราะห์ (x ) มวล mx เป็นระยะทาง R และมีความเร่งโน้มถ่วง g'

      หมายความว่าน้ำหนักของวัตถุจะมีค่าน้อยตามไปด้วย ซึ่งก็ยังคงมีน้ำหนักอยู่บ้าง แต่จากการสังเกตของคนที่อยู่ในดาวเทียมที่กำลังโคจรรอบโลก จะรู้สึกว่าไม่มีน้ำหนักเลยที่เป็นเช่นนี้ เนื่องจากวัตถุทุกสิ่งที่อยู่ภายในดาวเทียม จะมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กับดาวเทียมเป็นศูนย์ คือ อยู่นิ่งเมื่อเทียบกับดาวเทียม วัตถุที่อยู่ในดาวเทียมจึงลอยอยู่ในดาวเทียมได้โดยไม่ตก ซึ่งเรียกสภาพนี้ว่า สภาพไร้น้ำหนัก (weightlessness)

แบบทดสอบเรื่อง แรงและกฎการเคลื่อนที่

Quizizz	rmutphysics
Thai School	Orapanwaipan

แหล่งที่มา

https://www.scimath.org/

แหล่งที่มา แบบทดสอบ

https://quizizz.com/

http://www.thaiphysoc.org/

http://www.rmutphysics.com/

http://www.thaischool.in.th/

https://orapanwaipan.files.wordpress.com/