Transcript matters

บทที่ 1
สมบัตเิ ชิงกายภาพของ
สสาร
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
 สะพานพระรามแปด ข้ามแม่น้ าเจ้าพระยา
่
 วิศวกรใช้ความรู ้เกียวกับสมบั
ตเิ ชิงกลของวัสดุ
 เลือกวัตถุทมี
ี่ สมบัตส
ิ ภาพยืดหยุ่นเหมาะสมกับงาน
่
 ทนต่อแรงภายนอกได้มาก (ทาให้รูปร่างเปลียนได้
ยาก)
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
 สถานะของสสาร มี 3 สถานะคือ
่ รูปร่างและปริมาตรคงทีใน
่
 ของแข็ง เป็ นสถานะทีมี
อุณหภู มป
ิ กติ
 ก้อนหิน, ไม้, ยาง , ดินสอ, เทียนไข และเหล็กเป็ นต้น
่ รูปร่างไม่คงทีแน่
่ นอนใน
 ของเหลว เป็ นสถานะทีมี
่
่
อุณหภู มป
ิ กติ จะเปลียนตามภาชนะที
บรรจุ
อยู ่ แต่ม ี
ปริมาตรคงที่
 น้ า, น้ ามัน, ปรอท และ แอลกอฮอล ์ เป็ นต้น
่ รูปร่างและปริมาตรไม่คงที่
 แก๊ส เป็ นสถานะทีมี
่
แน่ นอนในอุณหภู มป
ิ กติ มีการเปลียนแปลงอยู
่เสมอ
่
รู ปร่างและปริมาตรจะเหมือนกับรู ปร่างทีบรรจุ
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
 สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง
่
่ แรงกระทาสามารถ
 วัสดุทมี
ี่ การเปลียนรู
ปร่างเมือมี
่
คืนกลับตัวสู ร
่ ู ปร่างเดิมเมือหยุ
ดออกแรงกระทา
เรียกว่า สภาพยืดหยุ่น (elasticity)
่
 วัสดุเปลียนรู
ปร่างไปอย่างถาวร โดยผิววัสดุไม่มก
ี าร
้ า สภาพ
ฉี กขาดหรือแตกหัก เรียกสมบัตน
ิ ี ว่
พลาสติก ( plasticity )
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
 สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง
่ ดึงวัสดุชนิ ดต่าง เช่น สปริง
 เมือ
 ก่อนสปริงถู กดึง
 สปริงถู กยืดจนใกล้ขด
ี จากัดสภาพยืดหยุน
่
 สปริงถู กยืดจนเกินขีดจากัดสภาพยืดหยุ่น
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
 สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง
่ ดึงวัสดุชนิ ดต่าง เช่น สปริง
 เมือ
* จุด a คือ ขีดจาก ัดการแปร
ผันตรง (Proportional limit)
ซงึ่ เป็ นตำแหน่งสุดท ้ำยทีค
่ วำม
ยำวสปริงยืดออก แปรผันตรงกับ
*จุ
ด b คือขีดงจาก ัดสภาพ
ขนำดของแรงดึ
ยืดหยุ่น (Elastic limit) ซงึ่ เป็ น
ตำแหน่งสุดท ้ำยทีส
่ ปริงยืดออก
่ ภำพเดิม แต่แรงดึง
แล ้วกลับสูส
*จุ
C นคืตรงกั
อ จุดบแตกหั
ไม่ดแปรผั
ระยะยืกด
(Breaking point) หมำยถึง
ตัง้ แต่จด
ุ b เป็ นต ้นไป ถ ้ำดึง
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
 กฎของฮุก ( Hooke’ s law)
 เมือ
่ ออกแรงดึงหรือกดสปริง พบว่ำแรงทีก
่ ระทำต่อ
ั พันธ์กบ
สปริง F มีควำมสม
ั ควำมยำวทีเ่ ปลีย
่ น
 กราฟช่วง oa เป็ นไปตามกฎของฮุก
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
 ช่วง ob เรียกว่า การผิด
รู ปแบบยืดหยุ่น
(elastic
deformation)
 ช่วง bc เรียกว่า การผิด
รู ปแบบพลาสติก
(plastic
deformation)
สมบัตเิ ชิงกลของของแข็ง
่ าให้ว ัตถุผด
 แรงทีท
ิ รู ป
 แรงดึง (tensile force)
 แรงอ ัด (forces of compression)
 แรงเฉื อน (shear force)
ความเค้นและความเครียด
 ความเค้น ( Stress )
้ สดุทมี
่
 แรงต้านภายในเนื อวั
ี่ ตอ
่ แรงภายนอกทีมา
้ ่ (ผลหารของแรงภายในต่อ
กระทาต่อหน่ วยพืนที
้ )่
พืนที
่
 เพือความง่
าย พู ดถึงความเค้นในรู ปของแรงภายนอก
่
้ ่
ทีมากระท
าต่อหนึ่ งหน่ วยพืนที
้ หน้
่ าตัดดังรู ป
 พิจารณาพืนที
แรงเค้นปกติและแรงเค้น
เฉื อน
ความเค้น
 ความเค้นปกติ (Normal Stress)
้ ่
 เป็ นความเข้มของแรง หรือแรงภายในต่อพืนที
 แรงภายใน (แรงเค้น คือ แรงยึดระหว่างโมเลกุลที่
่ น)
้
เพิมขึ
 ความเค้นเป็ น ปริมาณ สเกลาร ์ มีหน่ วยในระบบ
เอสไอเป็ นนิ วตันต่อตารางเมตร ( N/m2) หรือ
พาสคัล ( Pa )
ความเค้น
 ความเค้นปกติ (Normal Stress), ความ
เค้นตามยาว
่
 วัตถุทมี
ี่ รูปร่างสม่าเสมอ คงทีตลอด
่
 เกิดความเค้นปกติ คงทีกระจายอย่
างสม่าเสมอ
้ หน้
่ าตัด
ตลอดพืนที
ความเค้น
 ความเค้นตามยาว (longitudinal stress
)
 ความเค้นแบบดึง (tensile stress )
 ความเค้นแบบอ ัด ( compressive stress )
ความเค้น
 ความเค้นเฉื อน (Shear Stress)
 ถ้าวัตถุมรี ู ปร่างสม่าเสมอจะได้วา
่
ความเค้น
 ความเค้นเฉื อน (Shear
Stress)
่
่ านกันของ
 การเคลือนที
ผ่
่ ร ับความเค้น
วัตถุเมือได้
เฉื อน
ความเครียด (Strain)
 ความเครียดมี 2 ลักษณะคือ
 ความเครียดตามยาว หรือ ความเครียดเชิงเส้น
(linear Strain)
 ความเครียดเฉื อน (Shear Strain)
ความเครียด (Strain)
่
 คือ การเปลียนแปลงรู
ปร่างของวัสดุ
่ แรงภายนอกมา
(Deformation) เมือมี
กระทา (เกิดความเค้น)
่
 การเปลียนรู
ปแบบอิลาสติกหรือความเครียดแบบ
คืนรู ป
 ยางยืด, สปริง
่
 การเปลียนรู
ปแบบพลาสติกหรือความเครียดแบบ
คงรู ป
ความเครียด (Strain)
 ความเครียดตามยาว หรือ ความเครียดเชิงเส้น
(linear Strain)
 ความเครียด ณ ตาแหน่ ง ใด ๆ
ความเครียด (Strain)
่ าตัดคงทีตลอดความยาว
่
 วัสดุมพ
ี นที
ื ้ หน้
่ ดขึนจะมี
้
 ความเครียดตามยาวทีเกิ
คา
่ คงที่
ความเครียด (Strain)
 ความเครียดเฉื อน (Shear Strain)
 ใช้ก ับกรณี ทแรงกระท
ี่
ามีลก
ั ษณะเป็ นแรงเฉื อน
ความสัมพันธ ์ระหว่างความเค้นและ
ความเครียด
 เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด (Stress-Strain Curve) ซึง่
ได้จากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test)
ความสัมพันธ ์ระหว่างความเค้นและ
ความเครียด
 มอดู ลส
ั ของยัง (Young’s modulus) หรือ มอดู ลส
ั
สภาพยืดหยุ่น (modulus of elasticity)
Young ' sModulus ( E ) 
Unit : N/m2
TensileStr ess
TensileStr ain
ความสัมพันธ ์ระหว่างความเค้นและ
ความเครียด

Thomas Young ( ค.ศ.
1773 – 1829) นักฟิ สิกส ์ชาว
อังกฤษ สาเร็จการศึกษาทาง
แพทย ์ แต่สนใจในวิชาฟิ สิกส ์
่
โดยเฉพาะเรืองแสง
ได ้ดารง
ตาแหน่ งศาสตราจารย ์ทาง
ฟิ สิกส ์ ของ The Royal
Institution และมีผลงานใน
วิชาฟิ สิกส ์มากมาย เช่นการ
ค ้นพบการแทรกสอดของแสง
่
เป็ นคนแรกทีทดลองวั
ดความ
่
ยาวคลืนของแสงสี
ตา่ ง ๆ และ
เป็ นผู พ
้ บว่า ภายใน
ขีดจากัดสภาพยืดหยุ่น
อัตราส่วนระหว่างความเค้น
ความสัมพันธ ์ระหว่างความเค้นและ
ความเครียด
 มอดู ลส
ั ของยังของวัสดุ
บางชนิ ด
 บ่งบอกถึงความแข็งแรง
 ทนต่อแรงภายนอกได้
มาก
วัสดุ
มอดุลัสของยัง , E ( x
1011 N/m2 )
ตะกัว่
0.16
แก ้ว
0.55
อลูมเิ นียม
0.70
ทองเหลือง
0.91
ทองแดง
1.1
เหล็ก
1.9
เหล็กกล ้ำ
2.0
ทังสเตน
3.6
ความสัมพันธ ์ระหว่างความเค้นและ
ความเครียด
 มอดูลส
ั เฉือน (shear modulus)
 อัตรำสว่ นระหว่ำงความเค้นเฉื อนกับความเครียด
เฉื อน
 ปริมำณทีแ
่ สดงถึง สภาพยืดหยุ่นของรู ปร่าง
(elasticity of shape)
F
shear stress
S
 A
shear strain x
h
 มีหน่วยเป็ น N / m2
Source : Serway
ความสัมพันธ ์ระหว่างความเค้นและ
ความเครียด
 มอดู ลส
ั เชิงปริมาตร (Bulk
Modulus)
 อ ัตราส่วนระหว่าง ความเค้น
ปริมาตร กับความเครียด
ปริมาตร
F
volume stress
P
A
่
B   ปริมาณทีแสดงถึ


V ง สภาพ
V
volume strain
Vi
ยืดหยุ่นปริมาตรVi
่
 เครืองหมายลบ
แสดงถึง ความ
่ นเป็
้
ดันเพิมขึ
นบวก ปริมาตรก็
จะลดลง
Source : Serway
การคานวณระยะยืดกรณี ทวั
ี่ ตถุม ี
้ หน้
่ าตัดไม่สมาเสมอ
่
พืนที
dL
dL  d
 วัตถุมส
ี ภำพยืดหยุน
่ เป็ นไปตำมกฎของฮุก
 จำกนิยำม
่ ดออกทังหมด
้
 ความยาวทียื

F
   dL  
dL
L
E
L
AE
FL
 กรณี ท ี่ F และ A คงที่ จะได้วา
่  AE
ตัวอย่าง
่
 ลวดทองแดงเส้นหนึ่งยาว 4 เมตร มีพนที
ื ้ ภาคต
ด
ั ขวาง 1 x
10-8ตารางเมตร มีคา
่ ยังมอดู ลส
ั เป็ น 1.1 x 1011 นิ วตันต่อ
ตารางเมตร จะต้องออกแรงดึงเท่าใดจึงจะทาให้ลวดเส้นนี ้
ยืดออกอีก 1 มิลลิเมตร
่
 สายเคเบิลเหล็กมีพนที
ื ้ ภาคต
ด
ั ขวาง 3.0 x 10-4 ตาราง
่ มวล 800 กิโลกร ัม ถ้าในการใช้
เมตร ผู กติดก ับลิฟต ์ซึงมี
่
ลิฟต ์กาหนดให้ความเค้นทีกระท
ากับสายเคเบิลมีคา
่ ไม่เกิน
0.25 ของขอบเขตความยืดหยุ่น จงหาค่าความเร่งสู งสุดใน
่
่ นของลิ
้
การเคลือนที
ขึ
ฟต ์ ถ้าสายเคเบิลเหล็กมีคา
่ ขอบเขต
ความยืดหยุ่น 2.8 x 108 นิ วตันต่อตารางเมตร
กลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanics)
 ของไหล (fluid)
่
 คือ สสารทีสามารถไหลได้
ตามธรรมชาติ และมี
่
่
รู ปร่างเปลียนแปลงไปตามภาชนะที
บรรจุ
 ของเหลว (Liquid) : มีป ริมาตรคงที,่ รู ปร่าง
่
่
เปลียนแปลงตามภาชนะที
บรรจุ
่ สามารถกดให้หดได้ (incompressible
 ของไหลทีไม่
fluid)
่
 แก๊ส (Gas) : ปริมาตรและรู ปร่างเปลียนแปลงตาม
่
ภาชนะทีบรรจุ
่
 ของไหลทีสามารถกดให้
หดได้ (compressible fluid)
กลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanics)
 ของไหล (fluid)
่
่ ดนิ่ ง
 การศึกษาเกียวกับของไหลที
หยุ
 สถิตศาสตร ์ของของไหล (Fluid statics)
่ ่นิ่งจะไม่มแ
 ของไหลทีอยู
ี รงสัมผัส (tangential
force) กระทา
้ั (layer) ของของไหลเลือนผ่
่
 แรงสัมผัส จะทาให้ ชน
าน
้ั น
่ ๆ ต่อ ๆ กันไป
ชนอื
 เกิดการไหล
่ ่นิ่งจะมีแรงกระทาตงฉากกั
้ั
 สาหร ับของไหลทีอยู
บผิว
้
ของไหลเท่านัน
่ าลังเคลือนที
่
่
 การศึกษาของไหลทีก
 พลศาสตร ์ของของไหล (Fluid dynamics)
กลศาสตร ์ของไหล
 ความหนาแน่ นของสสาร (density)
 เป็ นสมบัตเิ ฉพาะตัวของสสารหนึ่ ง
 หน่ วย SI : Kg/m3
 หน่ วย cgs : g/cm3
 แปลงหน่ วย cgs เป็ น SI
 1 g/cm3=103 kg/m3
กระป๋ องยู เรกา ใช้หา
ปริมาตรของสสาร
อ่านว่า โรห ์
, rho
กลศาสตร ์ของไหล
 ความหนาแน่นของสสาร (density)
่ เป็ นเนื อเดี
้
 สสารทีไม่
ยวก ัน ความหนาแน่ น ณ ตาแหน่ ง
ต่าง ๆ ในสสารอาจแตกต่างก ัน
่ ดใด ๆ จุดนันสสารมี
้
 พิจารณาความหนาแน่ นทีจุ
่ มวล dm ความหนาแน่ น ณ
ปริมาตรน้อย ๆ dV ซึงมี
้
จุดนันเป็
น
dm

dv
กลศาสตร ์ของไหล
 ตาราง ความหนาแน่ นของสารบางชนิ ด
กลศาสตร ์ของไหล
 ความหนาแน่ นสัมพัทธ ์ (relative density)
้
 ความหนาแน่ นของสารนันเที
ยบกบ
ั ความหนาแน่ นของ
์ อุ
่ ณหภู ม ิ 4 องศาเซลเซียส)
สารอ้างอิง (น้ าบริสุทธิที
 ความหนาแน่ นสัมพัทธ ์ของปรอท
 13.6 (ไม่มห
ี น่ วย)
่
้
 เมือสารทั
งสองมี
ป ริมาตรเท่าก ัน ปรอทมีมวลเป็ น 13.6 เท่า
ของน้ า
 ในอดีตเรียกความหนาแน่ นของสารเทียบกบ
ั ความ
หนาแน่ นของน้ าว่า
 ความถ่วงจาเพาะ (specific gravity)
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดันในของไหล
(Pressure in a Fluid)
 เหตุใดน้ าจึงพุ่งออกจากรู ทเจาะ
ี่
ไว้
่ ้ าพุ่งออกจากรู แสดง
 การทีน
ว่า มีแรงกระทาต่อน้ า ในทิศ
้ั
ตงฉากก
ับผนังภาชนะที่
ตาแหน่ งรู เจาะ
่
 ขนาดของแรงด F
ันทีกระท
าตง้ั
้ 
่ ่ งหน่ วย
ฉากต่อพืP
นที
หนึ
เรียกว่า ความด ันA(pressure)
 นิ ยาม
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดันในของไหล (Pressure in a
Fluid)
 แรงทีข
่ องเหลวกระทำต่อวัตถุทจ
ี่ มจะมีทศ
ิ
ตัง้ ฉำกกับพืน
้ ทีผ
่ วิ ของวัตถุเสมอ
่
 เครืองมื
อวัดความดันในของไหล
 เมือ
่ เครือ
่ งวัดควำมดันจมอยูใ่ นของไหล
ของไหลก็จะกดลูกสูบและสปริง จนใน
ทีส
่ ด
ุ แรงทีก
่ ดสมดุลกับแรงของสปริง
 เมือ
่ ทรำบแรงของสปริง (จำกกำร
ปรับเทียบมำตรฐำน) ก็สำมำรถหำควำม
ดันได ้
Source : Serway
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดันในของแข็ง (Pressure
in a Solid)
 พิจารณารองเท้าหิมะ
(snowshoes)
 รองเท้าหิมะทาให้คนยังสามารถ
่ อนนุ่ มได้
ยืนอยู ่บนหิมะทีอ่
่ ดจากคนมีการ
เพราะว่าแรงทีเกิ
กระจายแรงในทิศลงไปบนหิมะ
่
่
โดยทีรองเท้
าหิมะมีพนที
ื ้ มากใน
การรองร ับแรง ส่งผลให้ความดน
ั
่ นผิ
้ วหิมะลดลง
ทีพื
Source : Serway
Source : Hyper Physics
เจ็บมือตรงด้าน
กลศาสตร ์ของไหล
 คาถามชวนคิด
่ นถอย
 สมมติวา
่ คุณยืนอยู ่ดา้ นหลังใครบางคนซึงเดิ
หลังและบังเอิญเดินไปเหยียบบนเท้าของคุณด้วยส้น
่
รองเท้า คุณอยากให้เป็ นคนใดทีเหยี
ยบเท้าคุณ
ระหว่าง
่ รองเท้า
 นักบาสเกตบอลมืออาชีพตวั ใหญ่มากซึงใส่
ผ้าใบ
 ผู ห
้ ญิงสวยมากใส่รองเท้าส้นสู งแหลม
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดัน ณ ตาแหน่ งใด
่
้ น้
่ อย ๆ dA
 อ ัตราส่วนของแรงน้อย ๆ dF ทีกระท
าบนพืนที
้
ณ จุดนัน
dF
p=
dA
dF=pdA
 ความดันมีหน่ วยเป็ น นิ วตันต่อตารางเมตร (N/m2)
่ นเกียรติแก่ Blaise Pascal จึงตงชื
้ั อหน่
่
 เพือเป็
วยความ
ด ันเป็ น Pascal (Pa)
 1 Pa = 1 N/m2
 ในทางอุตน
ุ ิ ยมวิทยา มีหน่ วยความด ันเป็ น บาร ์ (bar) และ
1 bar = 105 Pa
 ความด ันเป็ นปริมาณ สเกลาร ์
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดันบรรยากาศ (Atmospheric
Pressure)
่ ดจากความกดดันของบรรยากาศ
 เป็ นความดันทีเกิ
ของโลก
่
 มีคา
่ เปลียนแปลงไปตามต
าแหน่ งและระดับความสู ง
จากระดับน้ าทะเล
่
 และเปลียนแปลงไปตามอุ
ณหภู มข
ิ องบรรยากาศด้วย
่ บน้ าทะเลโดยเฉลียจะมี
่
 ความดันบรรยากาศทีระดั
ค่า
 P0=1.013 x 105 Pa = 14.7 lb/in2 =1atm
 P0=1.013 bar = 1013 millibar
 โดยทัว่ ๆ ไป วัดควำมดันบรรยำกำศ โดยใช ้ Source : Serway
บำรอมิเตอร์ (barometer)
่ บำรอมิเตอร์ปรอท
 เชน
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดัน ความลึก และกฎของพาส
คัล (Pressure, Depth and
Pascal’s Law)
 ความดันบรรยากาศจะลดลงตามระดับ
้
ความสู งจากพืนโลก
่ นสระจะมากกว่าความดันที่
 ความดันทีก้
่
จุดใด ๆ ซึงอยู
่ตนกว่
ื้
า
dp
 พิจารณาส่วนของของไหลปริ
มาตรน้อย
 g
dy
ๆ ในของไหลอยู
่นิ่ง
่ นศู นย ์ จะได้
 แรงลัพธ ์ในแนวดิงเป็
้
 ความดันขึนกับความสู
งจากระดับอ้างอิง
่ น
้ ความดันจะ
 ความสู งระดับอ้างอิงเพิมขึ
่ : กิตศ
ทีมา
ิ ักดิ ์ บุญขา
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดัน ความลึก และกฎของพาสคัล
(Pressure, Depth and Pascal’s
dp
= - g
Law)
dy
 อินทิเกรตสมการ
P2 -P1 = -  g(y 2 - y1 )
 จะได้
 พิจารณาความลึกจากผิวของของไหล
 จุดที่ 1 มีความดันเป็ น p
่ วของของไหล) มีความ
 จุดที่ 2 (ทีผิ
ดันเป็ น p0
 จะได้
p  p0  ρgh
่ : กิตศ
ทีมา
ิ ักดิ ์ บุญขา

h เป็ นความลึกทีว่ ัดจากผิวของ
ของเหลว
กลศาสตร ์ของไหล
 จากสมการp
 p0  ρgh
่ ่ในระดับความลึกเดียวก ัน (ในของ
 ความดัน ณ จุดใด ๆ ทีอยู
ไหลชนิ ดเดียวก ัน) จะมีคา
่ เท่าก ัน
่ ่
 นั่นคือ รู ปร่างของภาชนะไม่มผ
ี ลต่อความดน
ั ณ จุดทีอยู
ในระด ับเดียวกัน
Source : Hyper Physics
กลศาสตร ์ของไหล
 ความดันเกจและความดันสัมบู รณ์
(Absolute Pressure and Gauge
Pressure)
p  p0  ρgh
 จากสมการ
 เรียก p-pa ว่า ความดันเกจ (gauge
pressure)
 ผลต่างระหว่างความด ันภายใน
ภาชนะกับความด ันบรรยากาศ
 เรียก p ว่า ความดันสัมสัมบู รณ์
(absolute pressure)
 ความด ันสุทธิภายในภาชนะ
กลศาสตร์ของไหล
 คาถามชวนคิด
่ มน้ าจนเต็มมีความดันทีก้
่ นแก้วเป็ น P
 แก้วทีเติ
น้ ามีความหนาแน่ นเท่ากับ 1000 กิโลกร ัมต่อ
่
้ าออกจนหมดแล้วเติม
ลู กบาศก ์เมตร เมือเทน
่ ความหนาแน่ น 806
ethyl alcohol ทีมี
กิโลกร ัมต่อลู กบาศก ์เมตร จนเต็ม ความดันที่
ก้นแก้วจะเป็ นเช่นไร
1.
2.
3.
4.
น้อยกว่า P
เท่ากับ P
มากกว่า P
สรุปไม่ได้
กลศาสตร ์ของไหล
 การคานวณหาความดัน
บรรยากาศของโลก
 ความหนาแน่ นของอากาศ
pM
่
เปลียนแปลงตามความสู
ง (ความดั
น)

่
และ เปลี
ณหภู มRT
ิ
dpยนแปลงตามอุ
= - g
 และเป็ นไปตามกฎของแก๊
ส
dy
Μgh
 จาก

p  p 0e
RΤ
 อินทิเกรตจะได้
 สมการของบารอมิเตอร ์
(barometric equation)
กลศาสตร ์ของไหล
 กฎของพาสคัล (Pascal’s Law)
 จากสมการp
 p0  ρgh
่
่ วของไหล
 ถ้าเราเพิมความด
ัน p0 ทีผิ
่ ขนาดพอดีก ับ
(เช่น อาจใช่ลูกสู บทีมี
่
ภาชนะเพือกดผิ
วของไหลลงไป) ด ังรู ป
 ความด ัน p ณ ระด ับใด ๆ ลึกลงไปในของ
้
่ นด้
้ วยปริมาณทีเท่
่ ากัน
ไหลนันจะเพิ
มขึ
้ นพบโดยนักวิทยาศาสตร ์ชาว
 หลักการนี ค้
่ั
่ Blaise Pascal (ค.ศ.
ฝรงเศส
ชือ
1623 -1662)
กฎของพาสค
: “เมื
อ
่ ความด
ันในของไหลเปลี
ย
่ นแปลง
่ นแปลง
้ ยกว่
 ัล หลั
กการนี
เรี
า กฎของพาสคัล
กล่าวไว้ ความด ันทีเ่ ปลีย
่ ผ่านไปย ดั
นนจะส
ั้
ง
ังทุ
ก้ ๆจุดของของไหล และผน ังของภาชนะทีบ
่ รรจุดว้ ย”
งนี
กลศาสตร ์ของไหล
 กฎของพาสคัล (Pascal’s Law)
่
 พิจารณาการทางานของเครืองยกไฮดรอลิ
ก โดยใช้กฎ
อนุ ร ักษ ์พลังงาน (Conservation of Energy)
่ = งานทีได้
่ ร ับ
 งานทีให้
F1x1  F2 x2
 แต่ป ริมาตรเท่าก ัน
A1x1  A2x2
้
 ด ังนัน
F2  (
A2
A1
) F1
กลศาสตร ์ของไหล
 กฎของพาสค ัล(Pascal’s Law)
่
 เมือความดั
นในของไหล
่
เปลียนแปลง
ความดันที่
่
้
เปลียนแปลงนั
นจะส่
งผ่านไปยัง
ทุกๆจุดของของไหล และผนัง
่
ของภาชนะทีบรรจุ
ดว้ ย
่
 ต ัวอย่
P1างหนึ
 P2งของกฎของ
พาสคัล (การทางานของ
่ F1
F2 ก)
เครืองยกไฮดรอลิ
A1

A2
F2 =(
 หรือเขียนได้เป็ น
A2
A1
)F1
กลศาสตร์ของไหล
 การประยุกต ์ใช้กฎของพาสคัล




แม่แรงยกรถ(Car lifts)
แม่แรงไฮดรอลิก(Hydraulic jacks)
รถยกของ(Forklifts)
ห้ามล้อไฮดรอลิก(Hydraulic brakes)
เครือ
่ งว ัดความด ัน (Pressure guage)

บารอมิเตอร์( Barometer)
 Mercury Barometer (บารอมิเตอร ์ชนิ ด
ปรอท)
้
 ประดิษฐ ์ขึนโดย
Torricelli
 ประกอบด้วยท่อปลายปิ ดยาวบรรจุปรอทไว้
้ กลับท่อให้ท่อจุม
จนเต็มจากนันก็
่ ลงในอ่างใส่
ปรอทโดยให้ปลายปิ ดอยู ่ดา้ นบน
่ P ดด้
 ทีปลายปิ
PAานบนเกือบจะเป็ นสุญญากาศ
B
 ใช้สาหร
นบรรยากาศ มีคา
่ เป็ น
P0 ับวั
 ดHgความดั
gh
้
 ความด ันบรรยากาศจะขึนอยู
่ก ับความสู งของลา
1 mmHg
ปรอทในหลอดแก้
ว  1 torr
 บอกความด ันบรรยากาศเป็ นความสู งของลาปรอท
เช่น มิลลิเมตรของปรอท (mmHg)
เครือ
่ งว ัดความด ัน (Pressure guage)
 Mercury Barometer (บารอมิเตอร์ชนิดปรอท)

ความด ัน 1 บรรยากาศ (1 atm)
 ความด ันทีเ่ กิดจากลาปรอทในบาโรมิเตอร์ทส
ี่ ง
ู
0.7600 m (760 mm)
 ทีอ
่ ณ
ุ หภูมห
ิ อ
้ ง ความหนาแน่นของปรอทเท่าก ับ
13.6 x 103 kg/m3
 ด ังนน
ั้
P0 =1atm=(13.6×103kg/m3 )(9.8m/s 2 )(0.76m)
1atm =1.013×105Pa
เครือ
่ งว ัดความด ัน (Pressure guage)
 มาโนมิเตอร์ชนิดปลายเปิ ด
(Open-Tube Manometer)
 หลอดตัวยู บรรจุปรอท
่
่ ว ัดความดันของก๊าซ
 เป็ นเครืองมื
อทีใช้
่
ทีบรรจุ
อยู ่ในภาชนะ
 ปลายหนึ่งของหลอดรู ปตัวยู (Ushaped) จะถู กเปิ ดออกให้สม
ั ผัสกับ
อากาศ
่
 อีกปลายหนึ่งจะถูกต่อกับภาชนะทีมี
่ องการจะวัค
ความดันทีต้
่ ด A และ จุด B ใน
 ระดับของเหลวทีจุ
หลอดตัวยู อยู ่ระดับเดียวกันจึงมีความ
ดันเท่ากัน (PA=PB)
่ ด B คือ P0+ρgh
 ความดันทีจุ
้ ความดันทีจุ
่ ดA
 ดังนัน
 P = P0 + gh
เครือ
่ งว ัดความด ัน (Pressure guage)
 มาโนมิเตอร์ชนิดปลายเปิ ด
(Open-Tube Manometer)
 P = P0 + gh
 P คือ ความดันสัมบู รณ์
 P – P0 เรียกว่า ความดันเกจ
่ คา
 ซึงมี
่ เท่าก ับ gh
่ ดได้
 ต ัวอย่างเช่นความด ันทีวั
จากยางรถยนต ์ เป็ นความด ัน
เกจ
เครือ
่ งว ัดความด ัน (Pressure guage)
 การใช้มานอมิเตอร ์ในการวัด
ความดันของเหลว
hwater
hwater  1 cm
 water ghwater  100 Pa
400
200
0
1
2
3
h fluid
P  ρgh
3
2
 (1 103 kg/m
)(9.8m/s
)(1 10 2 m)
 100Pa
แรงดันของของเหลว
 จากสมการp  p0  ρgh
่
 ความดันของของเหลวจะเปลียนแปลง
ตามความลึก
่ นผิ
้ ว A ของ ก้นถ ัง ทุกๆ จุดบน
 ทีพื
้ ่ A จะมีความดันเท่ากัน
พืนที
 ใช้สมการ F=pA
 ความดันของของเหลวที่ ผน ังด้านข้าง
่
เปลียนแปลงตามความลึ
ก
่
 แรงดันจึงเปลียนแปลงตามความลึ
กด้วย
้ อย
่ และ แปร
 แรงดันจะมีขนาดมากขึนเรื
ผันตามความลึก
่ ดจะมีขนาดของ
 ณ ตาแหน่ งตาสุ
่ นถ ัง
แรงดันเท่าก ับทีก้
แรงดันของของเหลว
 การคานวณหาแรงลัพธ ์ต่อ
่
ผนังด้านข้างทีกระท
าโดย
ของเหลว
่
้ ว
 ใช้ค
เฉลียบนพื
นผิ
P0วามดั
+(P0น
+ρgH)
1
Pavด้=านข้าง
=P0 + ρgH
2
2
1
F=(P
+
ρgH)×2πRH
้
0
 ดังนัน แรงดั2นผนังด้านข้างจึง
เป็ น
F=Pav ×A
 และสามารถเขียนเป็ นสมการ
่
ทัวไปได้
เป็ น
แรงทีก
่ ระทาต่อเขือ
่ น (The Force on a Dam),1
่
 น้ าในเขือนมี
ความสู ง H ซึง่
่
เขือนมี
ความกว้าง w ดงั รู ป หา
่
แรงลัพธ ์ ของน้ าทีกระท
าต่อผนัง
่
เขือน
 เนื่ องจากความดันแปรผันกบ
ั
dF=pdA=ρgh×ωdy
ความลึ
กจึงไม่สามารถหา
ค่าแรงลัพธ ์จากผลคู ณของ
้ ได้
่ ( F=PA )
ความดันก ับพืนที
แต่จะแก้ปัญหาโดยใช้สมการ

 และสมการ
 จะได้
้
่
แรงทีก
่ ระทาต่อเขือ
่ น (The Force on a Dam),3
่ ้ าดน
่
 แรงทีน
ั เขือนจะพยายามด
น
ั ให้
่
ฐานของเขือนไถลไปด้
านหลัง
้
 ขณะเดียวกันโมเมนต ์ของแรงนี ก็
่
่
พยายามหมุนเขือนให้
พลิกควา
่
่
รอบจุด O ซึงอยู
่หลังฐานเขือน
่
dF=pdA=ρgh×ωdy
 สามารถหาต
าแหน่ งทีแรงลั
พธ ์
่
กระทาบนผนั
ง
เขื
อน
dτ=y×dF
 จาก
 และ
1
3
ρgωH
 จะได้ τ=
6
แรงทีก
่ ระทาต่อเขือ
่ น (The Force on a Dam),2
 ถ้าให้ B เป็ นความสู งเหนื อจุด O ที่
่
่
แรงลัพธ ์กระทาบนเขือนที
จะท
าให้
เกิดโมเมนต ์นี ้ จะได้
วา
่
τ=B×F
1
1
3
ρgωH =B× ρgωH 2
6
2
1
B= H
3
้ ตาแหน่ งทีแรงลั
่
 ดังนัน
พธ ์กระทาต่อ
่
่
เขือนจึ
งอยู ่เหนื อฐานเขือนเป็
นระยะ
1/3 ของความลึกของน้ า
่
 หรืออยู ่ตากว่
าผิวน้ าเป็ นระยะ 2/3
ของความลึกของน้ า
การลอยต ัว(Buoyancy) และ
หล ักของอาร์คม
ิ ด
ี ส
ิ (Archimedes ‘ s Principle)
 ทำไมเวลำกดลูกบอลชำยหำดให ้จมลงไปในน้ ำ
จะต ้องออกแรงเยอะมำก
ึ ว่ำ
 หรือ เมือ
่ เรำยกวัตถุทจ
ี่ มอยูใ่ นน้ ำ เรำจะรู ้สก
หนักน ้อยกว่ำเมือ
่ ยกวัตถุอยูใ่ นอำกำศ
การลอยต ัว(Buoyancy) และ
หล ักของอาร์คม
ิ ด
ี ส
ิ (Archimedes ‘ s Principle)
 เมือ
่ วัตถุมค
ี วำมหนำแน่นน ้อยกว่ำของไหลวัตถุจะ
ลอย
 โฟมจะลอยบนผิวน้ ำ, บอลลูนทีบ
่ รรจุด ้วยแก๊สฮเี ลียม
จะลอยได ้ในอำกำศ
 แต่วัตถุทม
ี่ ค
ี วำมหนำแน่นมำกกว่ำของไหลจะจม
ในของไหล
 ก ้อนเหล็กจะจมน้ ำ
 ถ ้ำก ้อนเหล็กมีโพรงข ้ำงใน ก ้อนเหล็กอำจจะลอยน้ ำก็ได ้
 ปรำกฏกำรณ์เหล่ำนีอ
้ ำร์คม
ิ ด
ี ส
ิ ได ้สงั เกตและตัง้
เป็ นหลักไว ้ว่ำ
่ ตถุใด ๆ จมอยู ่ในของไหลทังก้
้ อนหรือจมอยู ่
 เมือวั
เพียงบางส่วน ของไหลจะออกแรงยกวัตถุขนตาม
ึ้
การลอยต ัว(Buoyancy) และ
หล ักของอาร์คม
ิ ด
ี ส
ิ (Archimedes ‘ s Principle)
่ าตัด A จมอยู ่ใน
 พิจารณาแท่งวัตถุทรงกระบอกสู ง h มีพนที
ื ้ หน้
ของไหลความหนาแน่ น 
่
 แรงในแนวระดับทีกระท
าต่อผิวทรงกระบอกจะหักล้างกันหมด
่ วบนของทรงกระบอก ของไหลออกแรงกดตามแนวดิง่
 ทีผิ
F1  P1A  [P  ρfluid gx]A
0
่ วล่างของไหลออกแรงดันขึนตามแนวดิ
้
 ทีผิ
ง่
F2  P2 A  [P  ρfluid g(x+h)]A
0
้
่ เกิ
่ ดจากของไหลกระทาต่อทรงกระบอก
 ดังนันแรงลั
พธ ์ในแนวดิงที
F2 -F1 =ρfluid ghA=ρfluid Vg
 เรียกว่า แรงลอยต ัว (Buoyant force) , B
การลอยต ัว(Buoyancy) และ
หล ักของอาร์คม
ิ ด
ี ส
ิ (Archimedes ‘ s Principle)
 แรงลอยต ัว (Buoyant force) , B
B=ρfluid Vg
 หรือ
B=mg
่ กแทนที่
 น้ าหนักของของไหลทีถู
หล ักของอาคิมด
ี ส
ิ :
ว ัตถุทจ
ี่ มอยูใ่ นของเหลวทงก้
ั้ อน
 พิจารณาวัตถุทจมอยู
ี่
่ในของเหลวทัง้
fluid ความหนาแน่ นเป็ น
่
ก้อนซึงของเหลวมี
่ ทศ
้ อ
 แรงลอยตัวซึงมี
ิ ขึนคื
B  fluid gV  fluid gVobj
่ ทศ
 แรงโน้มถ่วงซึงมี
ิ ลงคือ
w = mg =  obj gVobj
 แรงลัพธ ์คือ
B - Fg = ( fluid   obj )gVobj
หล ักของอาคิมด
ี ส
ิ :
ว ัตถุทจ
ี่ มอยูใ่ นของเหลวทงก้
ั้ อน , ต่อ
 ถ้าความหนาแน่ นของวัตถุน้อย
กว่ากว่าหนาแน่ นของของเหลว
้
วัตถุจะมีความเร่งในทิศขึน
 ถ้าความหนาแน่ นของวัตถุ
มากกว่าความหนาแน่ นของ
ของไหล วัตถุจะจม
 การเคลือ
่ นทีข
่ องว ัตถุในของ
ไหล จะถูกกาหนดโดยความ
หนาแน่
และ
g นของของไหล
fluid
obj
ความหนาแน่นของว ัตถุ
B  F  (
  ) gVobj
หล ักของอาคิมด
ี ส
ิ :
ว ัตถุลอยในของเหลว
 พิจำรณำวัตถุทม
ี่ ป
ี ริมำตร(Vobj)ซงึ่ มีควำมหนำแน่นของ
วัตถุน ้อยกว่ำหนำแน่นของของไหล
 เมือ
่ วัตถุจะอยูใ่ นสภำพ สมดุลสถิต วัตถุจะลอยอยูท
่ ผ
ี่ วิ ของ
ของเหลว (จมบำงสว่ น)
 แรงลอยตัวทีม
่ ท
ี ศ
ิ ขึน
้ จะเท่ำกับแรงโน ้มถ่วงของโลกซงึ่ มีทศ
ิ ลง
 หรือ
 obj Vfluid

fluid Vobj
 ปริมำตรของของเหลวทีถ
่ ก
ู แทนทีจ
่ ะเท่ำกับปริมำตรของวัตถุท ี่
จมอยูใ่ นของเหลว
หล ักของอาคิมด
ี ส
ิ :
ว ัตถุทจ
ี่ มอยูใ่ นของเหลวทงก้
ั้ อน , ต่อ
่ บความลึก
 ทาไมปลาว่ายน้ าทีระดั
่ บความ
ต่าง ๆ ได้ (จมอยู ่ในน้ าทีระดั
ลึกต่างๆ)
 ปลาจะมีน้ าหนักมากกว่าแรงลอยตัว
ทาให้ปลาจมอยู ่ใต้น้ า
 แต่ปลามีถง
ุ ลม สาหร ับ ปร ับปริมาตร
เป็นกลไก ในการเพิม
่ หรือลด แรง
ลอยต ัว
 ทาให้ปลาสามารถว่ายนา้ ทีร่ ะด ับ
ความลึกต่าง ๆ ได้
่ เดียว ก ับเรือดานา้ สามารถ ดา
 เชน
นา้ ทีร่ ะด ับความลึกต่าง ๆ ได้
หล ักของอาคิมด
ี ส
ิ :
ว ัตถุทจ
ี่ มอยูใ่ นของเหลวทงก้
ั้ อน , ต่อ
 เรือเดินสมุทร ทาจากเหล็กทีม
่ ค
ี วาม
หนาแน่นมากกว่านา้ แต่สามารถ ลอยลา
อยูใ่ นทะเลได้