Transcript แรง

่
ฟิ สิกส ์เพิมเติม 1
บทที่ 3
แรง มวลและกฎการ
่
่
เคลือนที
้
่ อยู ่ในวัตุ
มวล (mass) คือปริมาณเนื อสารที
มี
่
่อยของวัตุ ซึงความ
่
เป็ นค่าทีจะบอกความเฉื
่
่
้ นปริมาณทีจะต้
านการเปลียนแปลง
เฉื่อยนี เป็
่
่
สภาพการเคลือนที
มวลมาก
ความเฉื่อยมาก
่
่ ยาก
เคลือนที
ได้
มวลน้อย
ความเฉื่อยน้อย
่ ง่าย
่
ได้
เคลือนที
แรง (Force)
่
แรง คืออานาจอย่างหนึ่ งทีจะ
่
่
่
เปลียนแปลงสภาพการเคลื
อนที
ของ
วัตุ แรงเป็ นปริมาณเวกเตอร ์ มี
หน่ วยเป็ น นิ วต ัน (N)
แรงย่อย คือแรงเดียวเพียงแรงเดียว
่
ทีกระท
าต่อวัตุ
F
m
แรงลัพธ ์ คือผลรวมแบบเวกเตอร ์ของ
แรงย่อย
่
ทีกระท
าต่อว ัตุ
F1
F2
แรงลัพธ ์ หรือ
F = F1+F2
แรงเสียดทาน (Friction) คือแรงที่
่
่
ต้านทานการเคลือนที
่ ัตุเริมจะมี
่
่
่
ของว ัตุเมือว
การเคลือนที
่
่
หรือกาลังมีการเคลือนที
f
โดยที่
่ วสัมผัส
ก.แรงเสียดทานเกิดระหว่างทีผิ
ของวัตุ
้ ตอ
่
ข. แรงเสียดทานจะเกิดขึนก็
่ เมือ
่ ดสีกน
่
่
ขั
ั
อนที
* วัตุเริมเคลื
่
่ ดสีกน
* วัตุกาลังเคลือนที
ขั
ั
่ ตุวางทับกันเฉย ๆ โดยไม่มแ
เมือวั
ี นวว่า
่
่ หรือไม่มแ
จะเคลือนที
ี นวว่าจะขัดสีกน
ั
ชนิ ดของแรงเสียดทาน
แรงเสียดทานแบ่งออกเป็ น 2
ชนิ ดคือ
1.แรงเสียดทานสุิต
2.แรงเสียดทานจลน์
แรงเสียดทานสุิต เป็ นแรงเสียดทาน
่ ตุอยู ่นิ่งกับที่ มีคา
้ั
ขณะทีวั
่ ได้ตงแต่
ศู นย ์
จนุึงสู งสด เท่ากับ sN นั่นคือ
แรงเสียดทานสุิต (fs) = sN
แรงเสียดทานจลน์ เป็ นแรงเสียดทานขณะ
่
่ มีคา
วัตุกาลังเคลือนที
่ เท่ากับ kN นั่น
คือ
แรงเสียดทานสุิต (fk) = kN
่
่ อที่ 1 ของนิ วตัน
กฎการเคลือนที
ข้
กฎข้อที่ 1 ของนิ วตัน กล่าวว่า
“วัตุทกชนิ ด จะดารงสภาพหยดนิ่ง หรือ
่
่ วยความเร็วคงที่ ตราบใดทีไม่
่ มี
เคลือนที
ด้
 า”
แรงภายนอกมากระท
F  0
จากกฎข ้อนีอ
้ าจมีแรงหลาย ๆ แรงมากระทา
กับวัตถุ แต่แรงลัพธ์ของแรงภายนอก
เหล่านัน
้ เป็ นศูนย์แล ้ววัตถุนัน
้ ยังคงรักษา
สภาพนิง่ ไว ้อย่างเดิม
่
่
่
่
วัตุซึงแรงลั
พธ ์ทีกระท
าเป็ นศูนย ์จะไม่เคลือนที
่ วยความเร็วคงที่
หรือจะวิงด้
F1
m
F2
F1
F2
F1+F2=0
F3
F1+F2+F3=0
กฎข้อที่ 1 ของนิ วตันกาหนดขอบเขตของ
ผู ส
้ งั เกตว่า ผู ส
้ งั เกตจะต้องหยดนิ่ งหรือ
่
่ วยความเร็วคงทีเที
่ ยบกับ
เคลือนที
ด้
กรอบอ้างอิงเฉื่ อย (inertial frame)
้
เท่านัน
่
่ อที่ 2 ของนิ วตัน
กฎการเคลือนที
ข้
กฎข้อที่ 2 ของนิ วตัน กล่าวว่า
่ แรงลัพธ ์ซึงขนาดไม่
่
“เมือมี
เป็ นศูนย ์มา
กระทาต่อวัตุจะทาให้ว ัตุเกิดความเร่งใน
่
ทิศเดียวกับแรงลัพธ ์ทีมากระท
า และขนาด
ของความเร่งจะแปรผันตรงกับขนาดของ
แรงลัพธ ์และจะแปรผกผันกับมวลของ
วัตุ”


F

m
a

แบบฝึ กหัด 3.1
1.วัตุมวล 20 กิโลกร ัม ตกจากยอดตึกสู ง
100 เมตร ลงมาจะมีแรงมากระทาต่อวัตุ
เท่าไร (g=10เมตร/วินาที2)
2.วัตุก้อนหนึ่ งมีมวล 20 กิโลกร ัม เดิมอยู ่
นิ่ ง ต่อมามีแรงมากระทากับวัตุนี ้ 4 วินาที
ปรากฏว่ามีความเร็ว เป็ น 20 เมตร/วินาที
่
จงหาแรงทีมากระท
าต่อวัตุ
3.แรง 20 นิ วตัน กระทาต่อวัตุหยดนิ่ งก้อน
่
่
หนึ่ ง ให้เคลือนที
ปรากฏว่
าในเวลา 20
4.วัตุมวล 4 กิโลกร ัม ุูกแรง 20 นิ วตัน กระทา
่
่
ในทิศทางเดียวกันกับการเคลือนที
ของวั
ตุซึง่
้ ความเร็ว 10 เมตร/วินาที อีก 2นาที
ขณะนันมี
่
่
ต่อมาวัตุจะเคลือนที
ไปได้
ระยะทางเท่าใด
5.วัตุหนึ่งุูกแรง 200 นิ วตัน กระทาแล้วเกิด
้ กแรง
ความเร่ง 20 เมตร/วินาที2ุ้าวัตุก้อนนี ุู
50 นิ วตัน กระทาจะเกิดความเร่งเท่าใด
่
่ อที่ 3 ของนิ วตัน
กฎการเคลือนที
ข้
กฎข้อที่ 3 ของนิ วต ัน กล่าวว่า
่
“ทกแรงกิรย
ิ าจะต้องมีแรงปฏิก ิรย
ิ า ทีมี
ขนาดเท่ากัน และ
มีทศ
ิ
ทางตรงข้ามกัน อยู ่เสมอ”


F12   F21
โดยที่ F12 เป็ นแรงทีก
่ ระทาต่อวัตถุก ้อนที่ 1 (กระทา
โดยวัตถุก ้อนที่ 2)
F21เป็ นแรงทีก
่ ระทาต่อวัตถุก ้อนที่ 2 (กระทา
ลักษณะของแรงกิรย
ิ าและแรงปฏิก ิรย
ิ า
่
1.แรงกิรย
ิ า คือแรงภายนอกทีกระท
าต่อวัตุ
่ ดขึนในเส้
้
2.แรงปฏิก ิรย
ิ าทีเกิ
นเชือก เรียกว่า แรง
่ ดขึนใน
้
ตึงเชือก ( T )
คือแรงทีเกิ
เส้นเชือก เป็ นแรงภายใน จะต้องมีทศ
ิ ออกจาก
่ จารณาแรงทีมากระท
่
วัตุทีพิ
าเสมอ
3.แรงปฏิก ิรย
ิ าระหว่างผิวสัมผัสของวัตุ จะต้องมี
่ จารณา
่
ทิศเข้าสู ่ว ัตุทีพิ
แรงทีกระท
าเสมอ
่ ตุสัมผัสกัน
้
อวั
4. แรงคูก
่ ิรย
ิ า-ปฏิก ิรย
ิ า เกิดขึนเมื
หรือไม่สม
ั ผัสก ันก็ได้
ลักษณะของแรงคู ก
่ ิรย
ิ า-ปฏิก ิรย
ิ าและ
แรงกระทาต่อวัตุ
้
1.วัตุวางบนพืนราบ
่
งดูด
แรงคูก
่ ิรย
ิ า-ปฏิก ิรย
ิ mg
า เป็ นแรงทีโลกดึ
วัตุ
่ นด
้ ันวัตุ
N เป็ นแรงทีพื
่
าต่อวัตุคือ
แรงทีกระท
N
N และ mg
mg
N เรียกอีกอย่างว่า
่ นกระท
้ ที1
่ ของ
N=mg
แรงปฏิก ิรย
า
พื
(ิ าที
กฎข้
อ
ต่อวัตุ นิ วตัน )
้
2.วางวัตุบนพืน
เอียง
R
N

F
mg
แรงคู ก
่ ิรย
ิ าปฏิก ิรย
ิ า
่
mg เป็ นแรงทีโลกดึ
งดู ด
วัตุ
่
F เป็ นแรงทีวัตุ
ดึงดู ด
โลก
่
้
R เป็ นแรงทีวัตุ
กดพืน
่ นด
้ ันวัตุ
N เป็ นแรงทีพื
่
แรงทีกระท
าต่อวัตุ
่
แรงทีกระท
าต่อว ัตุ คือ N
mg cos 
และ mg โดย mg สามารุ
mg sin  เป็ น
แยกออกได้
และ
N
mg sin 


mg
mg cos 
mg cos   N
ส่วนmg sin 
ฉดให้ว ัตุ
่
่
้
เคลือนที
ลงตามพื
นเอี
ยง
้
่ นกระท
าต่อว ัตุไม่
ค่าของแรงปฏิก ิรย
ิ าทีพื
จาเป็ นต้องเท่ากับ mg แต่ทศ
ิ ทางแรงปฏิก ิริยา (N)
้
้
จะตังฉากก
ับผิวสัมผัสระหว่างว ัตุกบ
ั พืนเสมอ
แรงเสียดทาน
่
่
แรงเสียดทาน คือ แรงต้านทานการเคลือนที
ของ
วัตุ ใช้สญ
ั ลักษณ์ a
“ f ”

F
m
เกิดระหว่างวัตุ
้
กับพืน

f
1.แรงเสียดทานสุิต
้
่ แรงภายนอกมากระทาต่อ
เกิดขึนจากการที
มี
้
่
่ แต่ว ัตุนัน
้
วัตุ พยายามให้ว ัตุนันเคลื
อนที
่
่ แรงเสียดทานสุิตมีคา
ยังไม่เคลือนที
่ ได้หลาย
่ ด จะมีคา
่ ดจนุึงมากทีส
้
น้อยทีส
ค่าตังแต่
่ มาก
เริมเคลื
่ ด เมือวัตุ
่
่
่
่
ทีส
อนที
แรงเสียดทานสุิต
f sจาก
 s N
่ ดหาได้
มากทีส
่
เมือ
สุิต

fs
= แรงเสียดทาน
s
์
 = สัมประสิทธิของความ
N ต
เสียดทานสุิ
2.แรงเสียดทานจลน์
่ ดขึนเมื
้
่
เป็ นแรงเสียดทานทีเกิ
อวัตุ
กาลัง
่
่ คา
่
เคลือนที
มี
่คงทีเสมอ

หาได้จาก f k 
kN

่
เมือ

fk
= แรงเสียดทานจลน์
์
 k = สัมประสิทธิของความ
เสียดทาน

N
= แรงปฏิก ิรย
ิ าที่
้
ผิวสัมผัสนัน
่
่
่ แรงเสียด
ลักษณะการเคลือนที
ของวัตุ
เมือมี
ทาน
อยู ่นิ่ง
F1
mg
N
fs
่ F1< =
ว ัตุจะหยดนิ่ ง เมือ
fs
่
่
่ แรงเสียด
ลักษณะการเคลือนที
ของวัตุ
เมือมี
ทาน
่
เริม
่
่
เคลือนที
F
2
mg
N
fs (max)
่
่
่ เมือ
่ F2 =
ว ัตุเริมเคลื
อนที
fs
่
่
่ แรงเสียด
ลักษณะการเคลือนที
ของวัตุ
เมือมี
ทาน
F3
่
่ วย
ว ัตุเคลือนที
ด้
ความเร็วคงที่
mg
N
fk
่
่ วยความเร็วคงที่ เมือ
่
ว ัตุเคลือนที
ด้
F3 = fk
การนากฎของนิ วตันไปใช้
่
่
การเคลือนที
ของวั
ตุหลายก้อนด้วย
ความเร่งเท่ากัน
หลักการแก้ปัญหา
่
่
้ าหนด
1.วาดรู ปการเคลือนที
ของวัตุ
พร ้อมทังก
ทิศทางความเร่ง
ของมวลแต่ละก้อน
่ ดขึนบนวัตุ
้
2.เขียนแรงทีเกิ
แต่ละก้อน ุ้าแรงใด
 ma นให้
่
่ แFตกแรงนั
้
ไม่อยู ่ในแนวการเคลือนที
ให้
อยู ่
่
่
ในแนวการเคลือนที
3.หาแรงลัพธ ์บนมวลแต่ละก้อน โดยใช้
่ ทศ
การแทนค่าแรงต่างๆ ให้แรงทีมี
ิ เดียวกับการ
่
่ ทศ
เคลือนที
ิ สวนการ
มี
ิ บวก(+) แรงใดมีทศ
่
่ ทศ
เคลือนที
มี
ิ ลบ(-)
การนากฎของนิ วตันไปใช้
่
่
ของวัตุ
หลายก้อนด้วยความเร่ง
การเคลือนที
ไม่เท่ากัน
่
่
้
การเคลือนที
ของวัตุ
ประเภทนี เราไม่
สามารุ
หาแรงลัพธ ์โดย
วิธรี วมก้อนคิดได้ ต้องใช้วธ
ิ แ
ี ยกก้อนคิด โดยมี
้
ขันตอนด
ังนี ้

F

m
a

่
1.หาความสัมพันธ ์ของแรงตึงเชือกทีมวลแต่
ละก้อน
2.หาความสัมพันธ ์ของความเร่งของมวลแต่ละ
ก้อน
3.แยกวัตุทีละก้อนโดยใช้หลักการหา
ที่
่
่
้ ยง
การเคลือนที
ของวั
ตถุบนพืนเอี
่
แรงกระทาต่อวัตถุมี 3 แรงคือ แรงทีโลกดึ
งดูดวัตถุ (mg)
่ นกระท
้
้
แรงปฏิก ิรยิ าทีพื
าตังฉากกั
บผิวสัมผัส (N) แรง
่
เสียดทานของพืน้ ( f ) เมือวางวั
ตถุ วัตถุจะไถลลงมา
ด ้วยความเร่
ง a ดังนั้นจึงต ้องแยกแรง mg ออกมา 2
mg sin 
แรง คือ
้ ยงมีทศ
ิ พุ่งลง
- mg cos  อยู่ในทิศขนานกับพืนเอี
ทาให ้วัตถุ
่
่
เคลือนที
ลงด
้วยความเร่ง
้
้ ยง
มีทศ
ิ ลงตังฉากกั
บพืนเอี
่ ้วัตถุตด
เพือให
ิ พืน้
่
่ ้ 2 แนว คือ
การพิจารณา จะพิจารณาการเคลือนที
ได
การหาแรงปฏิก ิรย
ิ า และการชง่ ั
น้ าหนักในลิฟต ์
ลิฟ
ต์
T
m
m
N
mg
mg
การหาแรงปฏิก ิรย
ิ า และหาน้ าหนักในลิฟต ์ เป็ นการหาใน
ขณะที่
่
่ ไปพร ้อมก ับลิฟต ์
ว ัตุเคลือนที
่
หลักการพิจารณา ุ้าต้องการหาแรงทีกระท
าต่อว ัตุ ให้
่
้
ใส่แรงทีกระท
าต่อว ัตุนัน
่
่
ให้ครบแล้วดู การเคลือนที
แรงใดมี
ทศ
ิ เดียวกบ
ั การ
่
่
้
เคลือนที
ของลิ
ฟต ์ แรงนันเป็
นบวก (+)
่
่
้
่
่
้
การเคลือนที
ของลิ
ฟต ์มี 2 ลักษณะ คือ ขึน
หรือลงF  ma
ลิฟต์
จาก
m
ขึน
้
N- mg = ma
N
mg
หรือ T - mg = ma
ลง mg - N = ma
หรือ mg – T = ma
หมายเหตุ การเคลือ
่ นทีด
่ ้วยความเร่ง (
Vเพิม
่ ) a=+
การเคลือ
่ นทีด
่ ้วยความหน่วง
( V ลด) a = -
T
m
mg
กฎแรงดึงดู ดระหว่างมวลของนิ ว
ตั
น
นิวตัน นาผลการสงั เกตของนั กดาราศาสตร์ทงั ้ หลายมา
สรุปว่า การทีด
่ าวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ได ้
เนือ
่ งจากมีแรงกระทาระหว่างดวงอาทิตย์กบ
ั ดาวเคราะห์
ซงึ่ แรงนีเ้ ป็ นแรงดึงดูดระหว่างมวลของดวงอาทิตย์กบ
ั
ื่ ต่อไปอีกว่าแรงดึงดูดระหว่าง
มวลดาวเคราะห์ และยังเชอ
ดวงอาทิตย์กบ
ั ดาวเคราะห์เป็ นแรงแบบเดียวกันกับแรง
ดึงดูดระหว่างโลกกับวัตถุบนผิวโลก และเป็ นแรงดึงดูด
ระหว่างวัตถุทก
ุ ชนิดในเอกภพ นิวตันจึงสรุปเป็ นกฎแรง
ดึงดูดระหว่างมวลซงึ่ มีใจความว่า
“วัตถุทงั ้ หลายในเอกภพจะออกแรงดึงดูดซงึ่ กันและ
กัน โดยขนาดของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุคห
ู่ นึง่ ๆ
จะแปรผันตรงกับผลคูณระหว่างมวลวัตถุทงั ้ สอง
และจะแปรผกผันกับกาลังสองของระยะห่าง
เขียนเป็ นสมการได ้ดังนี้
Gm1m2
FG 
2
R
G เป็ นค่าคงตัวของแรงดึงดู ดระหว่างมวล เป็ น
่ งดู ดก ัน
ค่าคงตัวเสมอ
ไม่วา
่ ว ัตุทีดึ
จะเป็ นวัตุใด ๆ ก็ตาม
้ ยกว่า ค่าคงตัวความโน้มุ่วงสากล มีคา
G นี เรี
่
6.673x10-11 Nm2/kg2
การบ้าน
1.จากรู ปแรง F = 120 นิ วตัน ดึงมวล 5 kg ดัง
รู ปจงหาความเร่งของมวลทกก้อน, T1 และ T2
่ มประสิทธิของความเสี
์
เมือสั
ยดทาน = 0.1
15
T1
10
T2
5
F
่
่
2.เมือใช้
แรงฉด 80 นิ วต ัน ดึงวัตุ ซึงมวล
2 และ
้ ังรู ป
3 Kg ขึนด
้
80 N งของมวลทังสองและแรงตึ
จงหาความเร่
งเชือก
้
ระหว่างมวลทังสอง
2
3
3.มวล 2 และ 3 กิโลกร ัม แขวนอยู ่ทปลายเชื
ี่
อก
คล้องผ่านรอกคล่องดังรู ป
ุ้ามวลของเชือกและรอกน้อยมาก (ไม่มม
ี วล)
จงหา
้
ข.แรงตึงใน
ก. ความเร่งของมวลทังสอง
เส้นเชือก
2
3
4.ในลิฟต ์แห่งหนึ่งมีพนเอี
ื ้  ยงทามม
กับ
้
แนวราบและมีมวล m วางอยู ่บนพืนเอี
ยง จง
่
้
หาความเร่งของมวล m เมือเที
ยบกับพืนเอี
ยง
่
่
ก.
ลิ
ฟ
ต
์เคลื
อนที
ลงด้
วย
ุ้า
ความเร็วคงที่

่
่ นด้
้ วย
ข. ลิฟต ์เคลือนที
ขึ
ความเร็วคงที่
่
่
ค. ลิฟต ์เคลือนที
ลงด้
วย
ความเร่งคงที่
่
่ นด้
้ วย
ง. ลิฟต ์เคลือนที
ขึ
่
5.จากรู ป มวล A = 4 กิโลกร ัม ,มวล B = 6
กิโลกร ัม , F = 120 นิ วตัน จงหาความเร่งของ
้
วัตุทังสองและแรงตึ
งเชือกระหว่าง A กับ B
F
B
A
30°
6. รุค ันหนึ่งมีลูกเหล็กผู กเชือกแขวนจากเพดานห
่
ในขณะทีรุแล่
นไปข้างหน้าในแนวราบด้วยความเร
่ วยความเ
ทามม 45 องศา กับแนวดิง่ จงหาว่ารุวิงด้
้
7.จากรู ป จงหาความเร่งของมวลทังสองก้
อน
่ กมวลทังสอง
้
และแรงตึงในเส้นเชือก ทีผู
37°
53°
8.ทาร ์ซานมวล 75 กิโลกร ัม เข้าไปอยู ่ในลิฟต ์
แล้วโหนเชือกโดยขาลอย
้ ุ้าขณะนันลิ
้ ฟต ์กาลังเคลือนที
่
่ นด้
้ วย
พ้นพืน
ขึ
ความเร่ง 1.2 เมตร/วินาที2
อยากทราบว่าแรงตึงเชือกมีคา
่ เท่าใด
9.ลิฟต ์ขนคนงานก่อสร ้าง มีมวล 180
่ งลิฟต ์สามารุทน
กิโลกร ัม โดยลวดทีดึ
แรงดึงได้ไม่เกิน 9000 นิ วตัน ุ้าความเร่ง
สู งสดของลิฟต ์ มีขนาด 2 เมตร/วินาที2
้
่ อสร ้าง ลิฟต ์
ขณะขนคนงานขึนไปที
ก่
่
้
่ ดกีคน
่
เครืองนี
จะบรรท
กคนงานได้มากทีส
่
ุ้าเฉลียคนงานมี
มวลคนละ 60 กิโลกร ัม
้
10. จากรู ปจงหาความเร่งจากมวลทังสอง
ก้อน
5
3
8 kg