แรง 2 แรง ขนาด 15 นิวตัน และ 20 นิวตัน จะมีแรงลัพธ์ขนาดเท่าใดเป็นไปไม่ได้

หน้าแรก

แรงและการเคลื่อนที่ พลังงาน

• 2.แรงที่กระทำต่อวัตถุ

บทเรียน เรื่อง แรงและการเคลื่อนที่ พลังงาน

2.แรงที่กระทำต่อวัตถุ

  แรง

       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 วัตถุจะรักษาสภาพการเคลื่อนที่เดิมเอาไว้และจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดิมด้วยความเร็วคงตัวนั้นตลอดไป

     ความเร่ง

เมื่อวัตถุมีความเร่งในช่วงเวลาหนึ่ง ความเร็วของมันจะเปลี่ยนแปลงไป ความเร่งอาจมีค่าเป็นบวกหรือลบก็ได้ ซึ่งเรามักว่าเรียกความเร่ง กับ ความหน่วง ตามลำดับ ความเร่งมีนิยามว่า "อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุในช่วงเวลาหนึ่ง" และกำหนดโดยสมการนี้

เมื่อ

จากสมการนี้ a จะมีหน่วยเป็น m/s² (อ่านว่า "เมตรต่อวินาทียกกำลังสอง")

หรือเขียนเป็นอีกสมการได้

เมื่อ

แรงกริยาและแรงปฏิกิริยา

แรงกิริยา 

แรงกิริยา (action force) เป็นแรงที่กระทำต่อวัตถุที่จุดใดจุดหนึ่ง  แล้วทำให้เกิดแรงธรรมชาติในทิศทางตรงกันข้ามหรือที่เรียกว่า  แรงปฏิกิริยา

แรงปฏิกิริยา

แรงปฏิกิริยา (reaction force) เป็นแรงธรรมชาติที่เกิดขึ้นโต้ตอบแรงกิริยาที่กระทำต่อวัตถุ  มีทิศทางตรงกันข้ามกับแรงกิริยา

เซอร์ไอแซก  นิวตัน (Sir Isaac Newton)   ได้ตั้งกฎ การเคลื่อนที่ของนิวตัน ซึ่งเน้นเป็นกฎเกณฑ์พื้นฐานของการเคลื่อนที่ของวัตถุ  ซึ่ง กฎการเคลื่อนที่ข้อที่  3  กล่าวว่า

“แรงกิริยาทุกแรงจะทำให้เกิดแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากัน  กระทำในทิศทางตรงกันข้ามเสมอ”

ความหมายของข้อนี้คือ ถ้าวัตถุ A ออกแรงกระทำต่อวัตถุ B แล้ววัตถุ B ย่อมออกแรงกระทำต่อวัตถุ A ด้วย สังเกตให้ดีนะครับ แรงที่ A กระทำกับ B จะเกิดที่ B ส่วนแรงที่ B กระทำกับ A จะเกิดขึ้นที่ A ถ้าลูกแอบเปิ้ลมีน้ำหนัก mg เป็นแรงกิริยาที่โลกกระทำต่อลูกแอบเปิ้ล นั่นหมายความว่า โลกจะถูกแอบเปิ้ลลูกนั้นแหละกระทำกลับด้วยแรงปฏิกิริยา mg พูดใหม่ว่าโลกออกแรงดูดแอบเปิ้ลให้หล่นพื้นด้วยแรง mg แอบเปิ้ลก็ออกแรงดูดโลกให้ขึ้นไปหามันด้วยแรง mg เท่ากัน แต่ที่มันยังไม่หล่นลงมาไม่ได้เพราะแรงปฏิกิริยาที่มันดูดโลกไว้หรอกครับ แต่เป็นเพราะต้นแอบเปิ้ลมีกิ่งและมีขั้วยึดผลแอบเปิ้ลที่ยังแข็งแรง

ฉะนั้นสำคัญมากพอ ๆ กับคำว่า กิริยา = ปฏิกิริยา เวลาสอนเด็ก ๆ เราต้องบอกเค้าด้วยว่าไอ้เจ้าแรง 2 ตัวนี้นะ ขนาดเท่ากันก็จริง ทิศทางตรงข้ามกันก็จริง แต่มันไม่หักล้างกัน เพราะมันกระทำบนวัตถุคนละชิ้นกัน ยกตัวอย่างง่าย ๆ จากโจทย์คลาสสิกที่เด็ก ๆ เจอกันบ่อยเลยคือชั่งน้ำหนักในลิฟท์ที่เคลื่อนที่ขึ้นหรือลงด้วยอัตราเร่ง a สมมติว่าเคลื่อนที่ขึ้นนะครับ คุณครูก็จะสอนว่ามีน้ำหนัก mg ของคนกดลงบนตาชั่ง แล้วมีแรงปฏิกิริยาแนวฉาก N กระทำกับคนในทิศขึ้นข้างบน (ทิศสวนทางกับน้ำหนัก) เนื่องจากลิฟท์กำลังเคลื่อนที่ขึ้น ดังนั้น N > mg เราจึงได้ N-mg = ma หรือ N = m(g+a) อ่านค่าน้ำหนักได้มากกว่าน้ำหนักจริง ตรงนี้ให้ระวังให้ดี แรง N ที่ว่าเป็นแรงปฏิกิริยานั่นไม่ใช่คู่ของแรงกิริยาน้ำหนัก mg นะครับ เพราะถ้าคุณมองว่าแรง mg เป็นแรงกิริยาเมื่อไร นึกไว้เสมอเลยว่าไอ้ตัวการที่ทำให้เกิดแรง mg มันคือโลก ดาวเคราะห์ที่เราอาศัยอยู่นี่แหละ ดังนั้นคู่แรงปฏิกิริยาของมันก็ต้องเกิดขึ้นกับโลก ไม่ได้ไปเกิดขึ้นกับวัตถุที่มีน้ำหนัก mg นั่นอีก แล้ว N ที่กระทำกับคนมาจากไหนล่ะ ง่ายมากครับ ดูจากคำตอบสิ เราตอบว่าตาชั่งจะอ่านน้ำหนักได้ m(g+a) แสดงว่ามันก็คือแรงปฏิกิริยาที่ตาชั่งกระทำกับคน (เกิดขึ้นที่คน) คู่ของมันคือแรงที่คนไปเหยียบบนตาชั่ง อันนี้ไงน้ำหนักที่โจทย์อยากรู้ แรงกิริยาที่คนไปเหยียบตาชั่งก็เกิดที่ตาชั่ง

แรงดันของลมที่ออกจากปากลูกโป่งจะทำให้เกิดแรงดันลูกโป่งให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่ออกจากปากลูกโป่ง

แรงโน้มถ่วงของโลก

                แรงโน้มถ่วงของโลก  คือ  แรงดึงดูดที่มวลของโลกกระทำกับมวลของวัตถุ  เพื่อดึงดูดวัตถุนั้นเข้าสู่ศูนย์กลางของโลก

เซอร์  ไอแซก  นิวตัน  ได้ค้นพบ  กฎแรงโน้มถ่วง  โดยกล่าวว่า  “วัตถุทุกชนิดในจักรวาลจะมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน”  ซึ่งค่าของแรงดึงดูดจะขึ้นกับผลคูณของมวลวัตถุทั้งสองและเป็นปฏิภาคผกผันกำลังสองกับระยะห่างของวัตถุ  ดังสมการ

• เมื่อ  W  คือ  น้ำหนักของวัตถุ  มีหน่วยเป็น นิวตัน (N)
• m  คือ  มวลของวัตถุ  มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
• g คือ ค่าความโน้มถ่วงของโลก มีค่าประมาณ 9.8 m/s2

แต่ถ้าวัตถุวางอยู่บนพื้นเฉยๆ มันมีแรงเนื่องจากน้ำหนักกดลง   ทำไมมันถึงอยู่นิ่งได้ ? ? ?

การที่วัตถุอยู่นิ่งได้แสดงว่าจะต้องมีแรงดันวัตถุขึ้นโดยมีขนาดเท่ากับน้ำหนักของวัตถุ ถึงจะทำให้วัตถุ    อยู่นิ่งได้  แรงนี้เรียกว่า “แรงปฏิกิริยา”  (N) 

แรงพยุงของของเหลว

แรงพยุง หรือแรงลอยตัว (Buoyant Force) คือแรงที่ของเหลวพยุงวัตถุไว้ เมื่่อวัตถุนั้นอยุ่ในของเหลว

หลักของอาร์คิมีดิส (Archimedes principle) กล่าวไว้ว่า เมื่อหย่อนวัตถุลงในน้ำ ปริมาตรของน้ำส่วนที่ล้นออกมา จะเท่ากับปริมาตรของก้อนวัตถุนั้นที่เข้าไปแทนที่น้ำ
สรุปหลักอาร์คิมีดิส ดังนี้
1. ปริมาตรของเหลวที่ถูกแทนที่ จะเท่ากับปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมลงในของเหลว
2. น้ำหนักของวัตถุที่่ชั่งในของเหลว จะมีค่าน้อยกว่าน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศ เนื่องจากแรงพยุงของของเหลวมีมากกว่าแรงพยุงของอากาศ
3. น้ำหนักของวัตถุที่หายไปในของเหลว จะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุแทนที่ ซึ่งคำนวณได้จากผลต่างของน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศกับน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในของเหลว
4. น้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ จะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับวัตถุส่วนที่จม

ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับแรงพยุง
1. ชนิดของวัตถุ วัตถุแต่ละชนิดจะมีความหนาแน่นแตกต่างกัน เช่น เหล็ก ไม้ พลาสติก ที่มีมวลเท่ากัน เหล็กจะมีความหนาแน่นมากกว่าไม้และไม้มีความหนาแน่นมากกว่าพลาสติก ซึ่งวัตถุที่มีความหนาแน่นมากจะจมลงไปในของเหลวมาก
2. ชนิดของเหลว ของเหลวแต่ละชนิดมีความหนาแน่นแตกต่างกัน เช่น น้ำบริสุทธิ์มีความหนาแน่นมากกว่าเอทิลแอลกอฮอล์และน้ำมันเบนซิน เป็นต้น ซึ่งของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก จะมีแรงพยุงมาก
3. ขนาดของวัตถุ จะส่งผลต่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวซึ่งถ้าวัตถุมีขนาดใหญ่ จะมีปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวมาก ทำให้แรงพยุงมีค่ามาก

แรงเสียดทาน

   แรงเสียดทาน หรือ ความเสียดทาน (friction) คือแรงที่ต้านการเคลื่อนที่เชิงสัมพัทธ์ หรือแนวโน้มของการเคลื่อนที่ดังกล่าว ของพื้นผิวสองอย่างที่สัมผัสกัน มักจะเกิดตรงข้ามกับแรงที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่เสมอ ผิวหน้าสัมผัส จึงช่วยลดแรงเสียดทานได้

แรงเสียดทาน ( Friction force) เมื่อเราผลักหรือดึงวัตถุใดๆบนพื้นที่ลื่นเราจะรู้สึกว่าผลักหรือดึงวัตถุนั้นให้เคลื่อนที่ไปได้ง่าย แต่ในบางครั้ง เราจะผลักหรือดึงวัตถุใดๆบนพื้นที่ขรุขระเราจะรู้สึกว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่ไปได้ยาก แสดงให้เห็นว่าผิวสัมผัสระหว่างพื้นกับผิววัตถุจะต้องมีผลต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น และในขณะเดียวกันสิ่งที่มีผลต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุคือน้ำหนักที่กดลงไปบนพื้น เพราะถ้าของนั้นมีน้ำหนักมาก ก็จะมีแรงกดลงไปมาก จะมีผลทำให้ผิวสัมผัสระหว่างวัตถุทั้งสัมผัสกันมากขึ้น การเคลื่อนที่ของวัตถุก็จะยากตามไปด้วย แสดงว่า ขณะที่เราออกแรงผลักหรือดึงเพื่อให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่ก็จะต้องมีแรงต้านการเคลื่อนที่เกิดขึ้น แรงต้านการเคลื่อนที่ ที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่าแรงเสียดทาน ดังนั้น แรงเสียดทาน คือ แรงที่ต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุจะเกิดขึ้นบริเวณผิวสัมผัสของวัตถุนั้นๆ ทิศของแรงเสียดทานจะมีทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุ ขนาดของแรงเสียดทานจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ 1.แรงหรือน้ำหนักที่กดลงไปบนพื้นผิวสัมผัส ซึ่งแรงนี้จะตั้งฉากกับผิวสัมผัส ถ้าแรงกดทับนี้มาก แรงเสียดทานก็จะมีค่ามากด้วย 2.ลักษณะของผิวสัมผัสนั้นๆ ถ้าผิวสัมผัสนั้นเรียบลื่น แรงเสียดทานก็จะมีค่าน้อย ถ้าผิวสัมผัสหยาบหรือขรุขระ แรงเสียดทานก็จะมีค่ามาก

แรงเสียดทานแบ่งได้  2 ชนิด คือ

1. แรงเสียดทานสถิต (static friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่มีแรงมากระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุยังอยู่นิ่งกับที่ ซึ่ง จะมีค่าตั้งแต่ศูนย์จนถึงค่ามากที่สุด ซึ่งค่าที่มากที่สุดจะเกิดขณะที่วัตถุเริ่มจะเคลื่อนที่

2. แรงเสียดทานจลน์ (kinetic friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่มีแรงมากระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ โดยแรงเสียดทานจลน์จะมีค่าน้อยกว่าแรงเสียดทานสถิต

การเพิ่มและลดแรงเสียดทาน

1. การใช้อุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ล้อ บุช และตลับลูกปืน

    ล้อ เป็นสิ่งจำเป็นมากสำหรับยานพาหนะทางบก เพราะสามารถลดแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส
    บุช เป็นโลหะทรงกระบอกกลวง ผิวเรียบ ลื่นทั้งสองด้าน
    ตลับลูกปืน ลักษณะเป็นลูกเหล็กกลมอยู่ในเบ้าที่รองรับ ผิวเรียบลื่นและกลิ้งได้ ทำให้วงแหวนทั้งสองหมุนได้รอบตัว เครื่องจักรแทบทุกชนิดจะต้องมีตลับลูกปืนใส่ในแกนหมุนของเครื่องยนต

2. การใช้น้ำมันหล่อลื่นบริเวณข้อต่อ จุดหมุน และผิวหน้าสัมผัสต่าง ๆ

3. การลดแรงกดระหว่างผิวสัมผัส เช่น ลดจำนวนสิ่งของที่บรรทุกให้น้อยลง ทาให้การลากวัตถุให้เคลื่อนที่ด้วยแรงดึงน้อยลง

4. การทำให้ผิวสัมผัสเรียบลื่น เช่น การใช้ถุงพลาสติกหุ้มถุงทราย พื้นถนนที่เปียกจะลื่นกว่าพื้นถนนที่แห้ง การเพิ่มแรงเสียดทาน แม้ว่าแรงเสียดทานจะทาให้สิ้นเปลืองพลังงานมากในการทำให้วัตถุเคลื่อนที่ แต่ในบางกรณีแรงเสียดทานก็มีประโยชน์ต่อการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ เช่น

1. ขณะที่รถแล่น จะต้องมีแรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนน เพื่อทำให้รถเคลื่อนที่ไปได้ตามทิศทางที่ต้องการ

2. ยางรถยนต์จำเป็นต้องมีดอกยางเป็นลวดลาย เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนน

3. ขณะหยุดรถหรือเบรกให้รถหยุดหรือแล่นช้าลง จะต้องเกิดแรงเสียดทาน เพื่อทำให้ล้อหยุดหมุนหรือหมุนช้าลง

4. การเดิน การวิ่ง ต้องการแรงเสียดทานมาช่วยในการเคลื่อนที่ ดังนั้น จึงควรใส่รองเท้าพื้นยาง ไม่ควรใส่รองเท้าพื้นไม้ เพราะรองเท้าพื้นยางให้แรงเสียดทานกับพื้นทางเดินได้มากกว่าพื้นรองเท้าที่เป็นไม้ ทำให้เดินได้ง่ายกว่าและเร็วกว่าโดยไม่ลื่นไถล นอกจากนี้พื้นรองเท้าต้องมีลวดลาย เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส

ตัวอย่างการลดแรงเสียดทาน

1. การใช้น้ำมันหล่อลื่นหรือจาระบี

2. การออกแบบรูปร่างของรถยนต์ให้เพรียวลมทำให้ลดแรงเสียดทาน

ตัวอย่างการเพิ่มแรงเสียดทาน

1.ลวดลายบริเวณพื้นรองเท้า ทำให้เวลาเดินไม่ลื่นล้มได้ง่าย

2.การปูพื้นกระเบื้องในห้องน้ำมักจะใช้กระเบื้องที่มีผิวขรุขระทำให้ไม่ลื่น