1.2 แรงและการเคลื่อนที่

แรงและการเคลื่อนที่

การออกแรงกรณีใด ๆจะมีผลทำให้วัตถุที่ถูกแรงกระทำ มีลักษณะดังต่อไปนี้

1. ทำให้วัตถุที่อยู่นิ่งเกิดการเคลื่อนที่ แช่นการออกแรงเตะลูกฟุตบอล การเคลื่อนย้ายสิ่งของเครื่องใช้ต่างๆ เป็นต้น

2. ทำให้วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อยู่เปลี่ยนทิศทางในการเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง เช่นผู้รักษาประตูปัดหรือรับลูกฟุตบอลที่ถูกเตะมา เป็นต้น

3. ทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่างไปจากเดิม เช่นการปั้นดินเหนียวให้เป็นรูปร่างต่าง ๆ เป็นต้น

แรงลัพธ์และการใช้ประโยชน์

การออกแรงกระทำต่อวัตถุโดยการออกแรงดึงวัตถุ หรือการออกแรงผลักวัตถุ อาจมีผลต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุ เช่น เมื่อออกแรงดึงเก้าอี้ หรือออกแรงผลักเก้าอี้จะทำให้เก้าอี้เคลื่อนที่

การออกแรงลากวัตถุให้เคลื่อนที่ไปได้นั้นทำได้หลายวิธี ถ้าหากมีคนสองคนช่วยกันออกแรงลาก ก็จะทำให้โต๊ะเคลื่อนที่ได้ง่ายขึ้น แสดงว่าเมื่อคนสองคนออกแรงลากวัตถุไปในทำศทางต่าง ๆ กัน จะทำให้เกิดแรงรวมขึ้นเรียกว่า แรงลัพธ์

แรงลัพธ์ เกิดจากแรงหลายแรงมากระทำกับวัตถุชิ้นหนึ่ง ถ้าผลของแรงหลายแรงที่กระทำกับวัตถุนั้น ไม่ทำให้วัตถุเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ อาจกล่าวได้ว่าแรงลัพธ์ที่เกิดขึ้นนั้น มีค่าเป็น ศูนย์

*แรง มีหน่วยเป็นนิวตัน

1.2 แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา

แรงที่เกิดขึ้นที่ผิวสัมผัสของวัตถุต่าง ๆ ซึ่งต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ เรียกว่า แรงเสียดทาน เเรงชนิดนี้เป็นแรงที่ขึ้นกับผิวสัมผัสของวัตถุ ถ้าเปลี่ยนผิวสัมผัสของวัตถุ จะทำให้แรงเสียดทานที่เกิดขึ้น เปลี่ยนแปลงไปด้วย เช่นแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างไม้กับเหรียญ จะแตกต่างจากแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างกระดาษทรายกับเหรียญ

ผลของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานทำให้เกิดประโยชน์ และโทษต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์มากมาย เช่น การเดินหรือวิ่งแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นที่เท้า หรือ พื้นรองเท้า กับพื้นถนนทำให้มนุษย์สามารถเคลื่อนที่ได้ โดยไม่ลื่นล้ม

แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นที่ผิวยางของล้อรถกับพื้นถนน ทำให้รถสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ และยังช่วยให้หยุดรถได้ง่ายด้วย

บางครั้งแรงเสียดทานก็ทำให้เกิดอันตรายและเป็นโทษต่อมนุษย์ได้ เช่น แรงเสียดทานทำให้เกิดความร้อนขึ้นมา ซึ่งอาจเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดไฟไหม้ป่าขึ้นได้

หรือในกรณีที่ลมในยางรถยนต์ มีปริมาณน้อยเกินไป จะทำให้เกิดแรงเสียดทานระหว่างล้อรถกับถนนมากขึ้น ทำให้ต้องใช้พลังงานในการเคลื่อนที่มากยิ่งขึ้น ทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน

การขัดท้องเรือให้เรียบ และทาด้วยสี หรือ น้ำมัน ทำให้ท้องเรือลื่น สามารถเคลื่อนที่ในน้ำได้สะดวกยิ่งขึ้น

การใช้ตลับลูกปืนในเครื่องใช้และอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อช่วยลดแรงเสียดทานในวัตถุนั้น ๆ เช่นตลับลูกปืนในรถจักรยานยนต์ตลับลูกปืนในสว่านไฟฟ้า เป็นต้น

การออกแบบรูปร่างของยานพาหนะให้ด้านอากาศน้อยที่สุด จะช่วยลดแรงเสียดทานได้ ทำให้ยานพาหนะแล่นได้เร็ว เช่นการออกแบบรถ รถแข่ง จรวด เครื่องบิน เรือเร็ว เป็นต้น

แรงกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ (แรงที่กระทำต่อวัตถุ)

การออกแรงกระทำต่อวัตถุอาจทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ หรือวัตถุอาจไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากมีแรงย่อยอื่นมาร่วมกระทำ ทำให้เกิดการหักล้างของแรงในปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นวัตถุที่จะเคลื่อนที่ได้หรือไม่ได้ก็ขึ้นอยู่กับแรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุนั่นเอง

เมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากถูกหักล้างด้วยแรงอื่นที่ร่วมกระทำต่อวัตถุนั้น แต่ไม่ว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่หรือไม่เคลื่อนที่ก็ตามจะเกิดแรงลัพธ์ของวัตถุเสมอ

แรงเป็นปริมาณที่มีขนาดและทิศทาง แรงจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์ การรวมแรงต้องรวมแบบเวกเตอร์ ในการรวมแรงหลายๆ แรงที่กระทำต่อวัตถุ ถ้าผลรวมของแรงที่ได้เป็นศูนย์แสดงว่า วัตถุนั้นอยู่ในสภาพสมดุล เมื่อปล่อยวัตถุ วัตถุนั้นจะตกลงสู่พื้นดิน แสดงว่ามีแรงกระทำต่อวัตถุ ซึ่งแรงนั้นเกิดจากแรงดึงดูดที่โลกกระทำต่อวัตถุ หรือที่เรียกว่า แรงโน้มถ่วงของโลก หรือน้ำหนักของวัตถุนั่นเอง แรงโน้มถ่วงนี้จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุ ในการลากวัตถุให้เคลื่อนที่ไปบนพื้นผิวจะมีแรงต้านการเคลื่อนที่ เรียกแรงนี้ว่า แรงเสียดทาน ซึ่งแรงเสียดทานจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับลักษณะผิวสัมผัสระหว่างวัตถุทั้งสองและแรงที่วัตถุกดพื้น กิจกรรมบางอย่างต้องการให้ผิวสัมผัสมีแรงเสียดทาน แต่กิจกรรมบางอย่างต้องการลดแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส

เมื่อออกแรงแล้วทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงนั้น เรียกว่า มีการทำงาน คำนวณหาค่าของงานที่ทำได้จากผลคูณของแรงและระยะทางในแนวเดียวกันกับแรง และกำหนดให้งานที่ทำได้ในหนึ่งหน่วยเวลา คือ กำลัง

ในบางกรณี เมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุอาจทำให้วัตถุหมุน เรียกว่าเกิดโมเมนต์ของแรง ซึ่งเกิดเมื่อแรงที่กระทำมีทิศตั้งฉากกับระยะทางจากจุดหมุนไปยังแนวแรง การหมุนนี้มีทั้งหมุนในทิศตามเข็มนาฬิกา และทวนเข็มนาฬิกา โดยถ้าผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกาเท่ากับผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา วัตถุจะอยู่ในสภาพสมดุล

เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุทำให้วัตถุเคลื่อนที่สามารถวัดอัตราเร็วหรือขนาดของความเร็วของการเคลื่อนที่ได้จากการใช้เครื่องเคาะสัญญาณเวลา วัตถุที่เคลื่อนที่โดยมีความเร็วเปลี่ยนไป เรียกว่า วัตถุเคลื่อนที่โดยมีความเร่ง โดยความเร่งจะมีทิศเดียวกับทิศของแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุ

การเคลื่อนที่ของวัตถุนอกจากจะเคลื่อนที่ในแนวตรงแล้ว ยังมีการเคลื่อนที่แบบอื่นอีก เช่น การเคลื่อนที่แบบโพรเจคไทล์ ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่แนวโค้ง โดยได้ระยะทางในแนวราบและแนวดิ่งพร้อมๆ กัน การเคลื่อนที่ในแนววงกลม เป็นการเคลื่อนที่ที่มีแรงกระทำต่อวัตถุในทิศเข้าสู่ศูนย์กลาง

กฎของนิวตัน

เซอร์ ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษถือกำเนิดใน ปี ค.ศ.1642 (พ.ศ.2185) นิวตันสนใจดาราศาสตร์ และประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง (Reflecting telescope) ขึ้นโดยใช้โลหะเงาเว้าในการรวมแสงแทนการใช้เลนส์ในกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง (Refracting telescope) นิวตันติดใจในปริศนาที่ว่า แรงอะไรทำให้ผลแอปเปิลตกสู่พื้นดินและตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก สิ่งนี้เองนำเขาไปสู่การค้นพบกฎแรงโน้มถ่วง 3 ข้อ

กฎข้อที่ 1 กฎของความเฉื่อย (Inertia)

"วัตถุที่หยุดนิ่งจะพยายามหยุดนิ่งอยู่กับที่ตราบที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำ ส่วนวัตถุที่เคลื่อนที่จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ตราบที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำเช่นกัน"

นิวตันอธิบายว่า ในอวกาศไม่มีอากาศ ดาวเคราะห์จึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่และมีทิศทางเป็นเส้นตรง เขาให้ความเห็นว่า การที่ดาวเคราะห์โคจรเป็นรูปวงรี เป็นเพราะมีแรงภายนอกมากระทำ (แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์) นิวตันตั้งข้อสังเกตว่า แรงโน้มถ่วงที่ทำให้แอปเปิลตกสู่พื้นดินเป็นแรงเดียวกันกับแรงที่ตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก หากปราศจากซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกแล้ว ดวงจันทร์ก็คงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงผ่านโลกไปภาพที่ 1 ความเฉื่อย

ตัวอย่างที่ 1: ขณะที่รถติดสัญญาณไฟแดง ตัวเราหยุดนิ่งอยู่กับที่

• เมื่อสัญญาณไฟแดงเปลี่ยนเป็นไฟเขียว คนขับเหยียบคันเร่งทำให้รถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แต่ตัวของเราจะพยายามคงสภาพหยุดนิ่งไว้ ผลคือ หลังของเราจะถูกผลักติดกับเบาะ ขณะที่รถเกิดความเร่งไปข้างหน้า

• ในทำนองกลับกันเมื่อสัญญาณไฟเขียวเปลี่ยนเป็นไฟแดง คนขับรถเหยียบเบรกเพื่อหยุดรถ ตัวเราซึ่งเคยเคลื่อนที่ด้วยความเร็วพร้อมกับรถ ทันทีที่รถหยุดตัวเราจะถูกผลักมาข้างหน้า

กฎข้อที่ 2 กฎของแรง (Force)

"ความเร่งของวัตถุแปรผันตามแรงที่กระทำต่อวัตถุ แต่แปรผกผันกับมวลของวัตถุ”

• ถ้าเราผลักวัตถุให้แรงขึ้น ความเร่งของวัตถุก็จะมากขึ้นตามไปด้วย

• ถ้าเราออกแรงเท่าๆ กัน ผลักวัตถุสองชนิดซึ่งมีมวลไม่เท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งน้อยกว่าวัตถุที่มีมวลน้อย

ความเร่งของวัตถุ = แรงที่กระทำต่อวัตถุ / มวลของวัตถุ (หรือ a = F/m)

ตัวอย่างที่ 2: เมื่อเราออกแรงเท่ากันเพื่อผลักรถให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า รถที่ไม่บรรทุกของมีมวลน้อยกว่าจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมากกว่ารถที่บรรทุกของ

ในเรื่องดาราศาสตร์ นิวตันอธิบายว่า ดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์ต่างโคจรรอบกันและกัน โดยมีจุดศูนย์กลางร่วม แต่เนื่องจากดวงอาทิตย์มีมวลมากกว่าดาวเคราะห์หลายแสนเท่า เราจึงมองเห็นว่า ดาวเคราะห์เคลื่อนที่ไปโดยมีความเร่งมากกว่าดวงอาทิตย์ และมีจุดศูนย์กลางร่วมอยู่ภายในตัวดวงอาทิตย์เอง คล้ายกับการหมุนลูกตุ้มดัมเบลสองข้างที่มีมวลไม่เท่ากัน

กฎข้อที่ 3 กฎของแรงปฏิกิริยา

"แรงที่วัตถุที่หนึ่งกระทำต่อวัตถุที่สอง ย่อมเท่ากับ แรงที่วัตถุที่สองกระทำต่อวัตถุที่หนึ่ง แต่ทิศทางตรงข้ามกัน” หรือกล่าวอย่างสั้นๆ ว่า แรงกริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยา (Action = Reaction) โดยที่แรงทั้งสองจะเกิดขึ้นพร้อมกัน นิวตันอธิบายว่า ขณะที่ดวงอาทิตย์มีแรงกระทำต่อดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์ก็มีแรงกระทำต่อดวงอาทิตย์ ในปริมาณที่เท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้าม และนั่นคือแรงดึงดูดร่วม

ตัวอย่างที่ 3: มนุษย์อวกาศกระโดดถีบยานอวกาศ ทั้งมนุษย์อวกาศและยานอวกาศต่างเคลื่อนที่ออกจากกัน (แรงกิริยา = แรงปฏิกิริยา) แต่มนุษย์อวกาศจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่มากกว่ายานอวกาศ ทั้งนี้เนื่องจากมนุษย์อวกาศมีมวลน้อยกว่ายานอวกาศ

ข้อควรจำ สังเกตุได้ว่า แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นพร้อมๆกันแต่ไม่ได้กระทำบนวัถุเดียวกันจึงนำมาหักล้างกันไม่ได้ เช่นกรณีรถยนต์ชนรถจักรยานยนต์แรงที่รถยนต์กระแทกรถจักรยานยนต์ทำให้รถจักรยานยนต์กระเด็นไปแรงที่รถจักรยานยนต์กระแทกรถยนต์เป็นแรงปฏิกิริยาทำให้รถบุบ

นักเรียนศึกษาเพิ่มเติมเรื่องการหาแรงลัพธ์