บทที่ 10
แรงและการเคลื่อนที่ของแรง
เรื่องที่ 1 แรงและการเคลื่อนที่ของแรง
แรง หมายถึง อำนาจภายนอกที่สามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะได้ เช่น ทำให้วัตถุที่อยู่นิ่งเคลื่อนที่ไป ทำให้วัตถุที่เคลื่อนที่อยู่แล้วเคลื่อนที่เร็วหรือช้าลง ทำให้วัตถุมีการเปลี่ยนทิศตลอดจนทำให้วัตถุมีการเปลี่ยนขนาดหรือรูปทรงไปจากเดิมได้ แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่มีทั้งขนาดและทิศทาง การรวมหรือหักล้างกันของแรงจึงต้องเป็นไปตามแบบเวกเตอร์
ประเภทของแรง แรงมีหลายประเภท ได้แก่ แรงย่อยแรงลัพธ์ แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา แรงขนาน แรงคู่ควบ แรงตึงแรงสู่ศูนย์กลาง แรงต้าน แรงเสียดทาน
แรงเสียดทาน หมายถึง แรงที่เกิดจากการเสียดสีระหว่างผิววัตถุที่มีการเคลื่อนที่หรือพยายามที่จะเคลื่อนที่ แรงเสียดทานเป็นแรงต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ มีทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่เสมอแรงเสียดทานมี 2 ชนิด คือ
1. แรงเสียดทานสถิต คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นขณะวัตถุเริมเคลื่อนที่
2. แรงเสียดทานจลน์ คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นขณะที่วัตถุเคลื่อนที่
ปัจจัยทีมีผลต่อแรงเสียดทาน
1. น้ำหนักของวัตถุ คือ วัตถุที่มีน้ำหนักกดทับลงบนพื้นผิวมากจะมีแรงเสียดทานมากกว่าวัตถุที่มีน้ำหนักกดทับลงบนพื้นผิวน้อย
2. พื้นผิวสัมผัส ผิวสัมผัสที่เรียบจะเกิดแรงเสียดทานน้อยกว่าผิวสัมผัสที่ขรุขระ
ประโยชน์ของแรงเสียดทาน
1. ป้องกันการเกิดอุบัติเหตุทางรถยนต์
2. ป้องกันการหกล้มจากรองเท้า
โทษของแรงเสียดทาน
ถ้าล้อรถยนต์กับพื้นถนนมีแรงเสียดทานมากรถยนต์จะแล่นช้า ต้องใช้น้ำมันเชื้อเพลิงมากขึ้น เพื่อให้รถยนต์มีพลังงานมากพอที่จะเอาชนะแรงเสียดทาน การเคลื่อนตู้ขนาดใหญ่ ถ้าใช้วิธีผลักตู้ ปรากฏว่าตู้เคลื่อนที่ยากเพราะเกิดแรงเสียดทานจะต้องออกแรงผลักมากขึ้นหรือลดแรงเสียดทาน โดยใช้ผ้ารองขาตู้ที่ด้วยความเร็วคงที่ แรงดึงดูดของโลก หรือแรงดึงดูดโน้มถ่วง (Gravitational force) ของโลก เป็นพลังงานที่เกิดจากมวลสาร ซึ่งประกอบขึ้นมาเป็นโลก เป็นแรงที่จะเกิดขึ้นเสมอกับสสารทุกชนิด ไม่ว่าจะเล็กจิ้วถึงระดับอะตอม หรือใหญ่ระดับโลก ระดับกาแล็กซี นั่นคือ สสารทุกชนิดหรือมวลสารทุกชนิดจะมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกันเสมอ ดังเช่นแรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อมนุษย์บนโลก
แรงลอยตัว คือ แรงลัพธ์ที่ของไหลกระทำต่อผิวของวัตถุที่จมบางส่วนหรือจมทั้งชิ้นวัตถุ ซึ่งเป็นแรงปฏิกิริยาโต้ตอบในทิศทางขึ้น เพื่อให้เกิดความสมดุลกับการที่วัตถุมีน้ำหนักพยายามจมลงอันเนื่องมาจากแรงโน้มถ่วงของโลก ขนาดของแรงลอยตัวมีค่าเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่มีปริมาตรเท่ากับวัตถุส่วนที่จม ซึ่งสามารถพิสูจน์ได้โดยพิจารณาวัตถุที่จมในของไหลแรงลอยตัวจะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่
ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับแรงลอยตัว ได้แก่
1. ชนิดของวัตถุ วัตถุจะมีความหนาแน่นแตกต่างกันออกไปยิงวัตถุมีความหนาแน่นมาก ก็ยิ่งจมลงไปในของเหลวมากยิ่งขึ้น
2. ชนิดของของเหลว ยิ่งของเหลวมีความหนาแน่นมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นด้วย
3. ขนาดของวัตถุ จะส่งผลต่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลว เมื่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นอีกด้วย
ประโยชน์ของแรงลอยตัว ใช้ในการประกอบเรือไม่ให้จมนํา
เรื่องที่ 2 ความดัน
ความดัน หมายถึง แรง (force; F) ต่อ หน่วยพื้นที่ (area; A) ในระบบ SI ความดันมีหน่วย เป็น ปาสคาล (Pa) หรือ นิวตันต่อตารางเมตร (Nm-2 ) หรือ กิโลกรัมต่อเมตรต่อวินาทีกําลังสอง (kg.m-1.s-2 ) ส่วนความดันในหน่วย มิลลิเมตรปรอท (mmHg) ซึ่ง 760 mmHg = 101325 Pascal หรือ 1 atm = 101325 Pa = 101.325
แรงดันหรือความดันของอากาศที่กระทำต่อพื้นผิวโลกเรียกว่า ความดันบรรยากาศ ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าของเหลวก็มีความดัน ซึ่งความดันของของเหลวขึ้นอยู่กับปัจจัย 3 ประการ คือ ความลึกหรือความสูง ความหนาแน่นของของเหลว และแรงโน้มถ่วงของโลก
วิธีการวัดความดันบรรยากาศ อาจทำได้โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า บารอมิเตอร์(barometer) ผู้ประดิษฐ์บารอมิเตอร์เครื่องแรกของโลกคือนักคณิตศาสตร์ชาวอิตาลี ชื่อ ทอร์ริเชลลี ในปี ค.ศ. 1643เครื่องมือประกอบด้วยอ่างที่เติมสารปรอท และหลอดแก้วข้างในบรรจุด้วยปรอทให้เต็มแล้วคว่ำหลอดแก้วลงในอ่างปรอท ดังรูปด้านล่าง (ปรอทเป็นธาตุอีกชนิดหนึ่งที่มีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง มีความหนาแน่นเท่ากับ 13.4 g/ml)
ความดันในของเหลว
ในการศึกษาความดันในของเหลว พบว่า เมื่อนําขวดน้ำพลาสติกมาใส่น้ำถ้าเจาะรูที่ผนังขวดน้ำจะพุ่งออกมาตามทิศทางที่แสดงด้วยลูกศร ดังรูปที่ 1 แสดงว่ามีแรงกระทำต่อน้ำในภาชนะ แรงนี้จะดันนําให้พุ่งออกมาในทิศทางที่ตั้งฉากกับผนังภาชนะทุกตำแหน่ง ไม่ว่าผนังจะอยู่ในแนวใด เราเรียกขนาดของแรงในของเหลวที่กระทำตังฉากต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยของผนังภาชนะว่า “ความดันในของเหลว”
สรุปลักษณะความดันในของเหลว ได้ดังนี้
- ของเหลวที่บรรจุอยู่ในภาชนะ จะออกแรงดันต่อผนังภาชนะที่สัมผัสกับของเหลวในทุกทิศทาง โดยจะตั้งฉากกับผนังภาชนะเสมอ
- ทุก ๆ จุดในของเหลว จะมีแรงดันกระทำต่อจุดนั่นทุกทิศทุกทาง
- สำหรับของเหลวชนิดเดียวกันความดันของของเหลวจะเพิ่มขึ้นตามความลึก และที่ระดับความลึกเท่ากันความดันของเหลวจะเท่ากัน
- ในของเหลวต่างชนิดกัน ณ ความลึกเท่ากัน ความดันของของเหลวจะขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวนั้น
สรุปได้ว่า “สำหรับของเหลวที่อยู่นิ่ง ณ อุณหภูมิหนึ่ง ๆ ความดันของของเหลวจะแปรผันตรง
กับความลึกและความหนาแน่นของของเหลวเสมอ” (ไม่ขึ้นอยู่กับรูปร่างของภาชนะหรือปริมาตรของของเหลว )
คุณสมบัติของความดันในของเหลว
1. ณ จุดใด ๆ ในของเหลวจะมีแรงกระทำเนื่องจากของเหลวไปในทุกทิศทาง
2. ถ้าเราพิจารณาที่ผิวภาชนะ แรงที่ของเหลวกระทำจะตั้งฉากกับผิวภาชนะเสมอ
3. สำหรับความดันบรรยากาศ เรียกว่า ความดันสัมบูรณ์ (เป็นความดันที่มีค่าคงที่เสมอ)
4. ความดัน ณ จุดใด ๆ ในของเหลว ที่เป็นความดันจากน้ำหนักของของเหลว จะแปรผันตรงกับความลึกและความหนาแน่นของของเหลว เมื่อของเหลวอยู่นิ่งและอุณหภูมิคงที่
5. ความดันในของเหลวชนิดหนึ่งๆ ไม่ขึ้นอยู่กับปริมาตรและรูปร่างของภาชนะ
ความดันของอากาศ
ความดันอากาศ หมายถึง แรงที่กระทำต่อพื้นโลกอันเนื่องจากน้ำหนักของอากาศ ณ จุดใดจุดหนึ่งเป็นลำของบรรยากาศตังแต่พื้นโลกขึ้นไป จนถึงเขตสูงสุดของบรรยากาศ
ความสัมพันธ์ระหว่างความดันของอากาศ กับ ความสูงจากระดับน้ำทะเล เป็นดังนี้
1. ที่ความสูงระดับเดียวกัน อากาศจะมีความดันอากาศเท่ากัน หลักการนี้นําไปใช้ทำเครื่องมือตรวจวัดแนวระดับในการก่อสร้าง
2. เมื่อความสูงเพิ่มขึ้น ความดันและความหนาแน่นของอากาศมีค่าลดลง หลักการนี้นําไปสร้างเครื่องมือวัดความสูง ซึ่งเรียกว่า แอลติมิเตอร์
3. “ทุกๆ ความสูงจากระดับน้ำทะเล 11 เมตร ระดับปรอทจะลดลงจากเดิม 1 มิลลิเมตรปรอท
และทุกๆ ความลึกจากระดับน้ำทะเล 11 เมตร ระดับปรอทจะเพิ่มขึ้น 1 มิลลิเมตร”
4. ความดันของอากาศที่ระดับน้ำทะเล เรียกว่า มีความดัน 1 บรรยากาศ
5. การวัดความดันอากาศมี 2 แบบ คือ วัดเป็นความสูงของน้ำ และความสูงของปรอท
เรื่องที่ 3 แรงดึงดูดของโลก ความหมาย ประโยชน์ และโทษของแรงดึงดูดของโลก
แรงที่กระทำต่อวัตถุ (Force of Gravitation) หมายถึง แรงดึงดูดระหว่างมวลของโลกกับวัตถุบนโลกช่วยทำให้ทุกสิ่งต้องตรึงตัวติดอยู่กับผิวโลก โดยมีจุดศูนย์ถ่วงตั้งฉากกับผิวโลกอยู่เสมอ
การค้นพบกฎแรงดึงดูดของโลก (Law of Gravitation)
นิวตันได้ค้นพบทฤษฎีโดยบังเอิญ เหตุการณ์เกิดขึ้นในวันหนึ่งขณะที่นิวตันกําลังนั่งดูดวงจันทร์ แล้วก็เกิดความสงสัยว่าทําไมดวงจันทร์จึงต้องหมุนรอบโลก ในระหว่างที่เขากําลังนั่งมองดวงจันทร์อยู่เพลิน ๆ ก็ได้ยินเสียงแอปเปิลตกลงพื้น เมื่อนิวตันเห็นเช่นนั้นก็ให้ เกิดความสงสัยว่าทําไมวัตถุต่าง ๆ จึงต้องตกลงสู่พื้นดินเสมอทําไมไม่ลอยขึ้นฟ้าบ้าง ซึ่งนิวตันคิดว่าต้องมีแรงอะไรสักอย่างที่ทำให้แอปเปิลตกลงพื้นดิน จากความสงสัยข้อนี้เอง นิวตันจึงเริ่มการทดลองเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงของโลกการทดลองครั้งแรกของนิวตัน คือ การนําก้อนหินมาผูกเชือก จากนั้นก็แกว่งไปรอบ ๆ ตัว นิวตันสรุปจากการทดลองครั้งนี้ว่าเชือกเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้ก้อนหินแกว่งไปมารอบ ๆ ไม่หลุดลอยไป ดังนั้นสาเหตุที่โลก ดาวเคราะห์ต้องหมุนรอบดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ต้องหมุนรอบโลก ต้องเกิดจากแรงดึงดูดที่ดวงอาทิตย์ที่มีต่อโลก และดาวเคราะห์ และแรงดึงดูดของโลกที่ส่งผลต่อดวงจันทร์ รวมถึงสาเหตุที่แอปเปิลตกลงพื้นดินด้วยก็เกิดจากแรงดึงดูดของโลก
เมื่อแรงถูกกระทำกับวัตถุหนึ่ง วัตถุนั้นสามารถได้รับผลกระทบ ประเภทดังนี้
1. วัตถุที่อยู่นิ่งอาจเริ่มเคลื่อนที่
2. ความเร็วของวัตถุที่กําลังเคลื่อนที่อยู่เปลี่ยนแปลงไป
3. ทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุอาจเปลี่ยนแปลงไป
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน มีด้วยกัน 3 ข้อ
1. วัตถุจะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วและทิศทางคงที่ได้ต่อเนื่องเมื่อผลรวมของแรง(แรงลัพธ์) ที่กระทำต่อวัตถุเท่ากับศูนย์
2. เมื่อมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุที่มีมวลเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง โดยขนาดของแรงจะเท่ากับมวลคูณความเร่ง
3. ทุกแรงกิริยาย่อมมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามเสมอ
ประโยชน์มากมายจากแรงโน้มถ่วงของโลก ทังประโยชน์โดยตรง และประโยชน์โดยอ้อม เช่น
1. แรงโน้มถ่วงของโลกทำให้วัตถุต่าง ๆ บนพื้นโลกไม่หลุดลอยออกไปจากโลก โดยเฉพาะบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกไม่ให้ลอยไปในอวกาศ จึงทำให้มนุษย์ดำรงชีวิตอยู่ได้
2. แรงโน้มถ่วงของโลกทำให้น้ำฝนตกลงสู่พื้นดิน ให้ความชุ่มชื้นแก่สิ่งมีชีวิตบนพื้นโลก
3. แรงโน้มถ่วงของโลกทำให้น้ำไหลลงจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำ ทำให้เกิดน้ำตก น้ำในแม่น้ำไหลลงทะเล คนเราก็อาศัยประโยชน์จากการไหลของน้ำอย่างมากมาย เช่น การสร้างเขื่อนแปลงพลังงานน้ำมาเป็นพลังงานไฟฟ้า เป็นต้น
4. แรงโน้มถ่วงของโลกทำให้เราทราบน้ำหนักของสิ่งต่าง ๆ
5. แรงโน้มถ่วงของโลกทำให้ผ้าแห้งเร็วขึ้น ในขณะที่เราตากผ้า นอกจากแสงแดดจะช่วยให้น้ำระเหยออกไปจากผ้าแล้ว แรงโน้มถ่วงยังช่วยดึงหยดน้ำออกจากผ้าให้ตกลงพื้นอีกด้วย