แรงและการเคลื่อนที่ พลังงาน ม.3

รายวชาพนฐานกลมสาระการเรยนร วทยาศาสตร

วชา วทยาศาสตร ม.3 เลม 2

หนวยการเรยนรท 5

แรงและการเคลอนท พลงงาน

แรงและการเคลอนท พลงงาน

แรงทกระท าตอวตถ

โมเมนตของแรง

การเคลอนทของวตถ

งานและพลงงาน

แรงทกระท าตอวตถ

• ความเรง คอ ความเรวของวตถทเปลยนแปลงไปใน 1 หนวยเวลา เปนปรมาณเวกเตอร ซงมหนวยเปนเมตร/วนาท2 (m/s2)

• การเคลอนทของวตถ ถาพจารณาอตราสวนระหวางความเรวทเปลยนไปของวตถกบชวงเวลาทใช จะไดความสมพนธ ดงสมการ

ความเรง

ตวอยาง

• ถาวตถเคลอนทดวยความเรวเพมขน แสดงวาวตถนนมความเรง• ถาวตถเคลอนทชาลงหรอลดความเรวลง แสดงวาวตถนนมความหนวงหรอความเรง มคาเปนลบ

• ถาวตถเคลอนทโดยไมเปลยนทศทางและความเรวในการเคลอนทเปลยนแปลงไป ในอตราเทาๆ กน ในแตละหนวยเวลา แสดงวาวตถนนมความเรงคงท

• วตถทตกอยางอสระจะเคลอนทภายใตความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก ซงมคา 9.8 m/s2 หรอประมาณ 10 m/s2

• กฎของความเรง (Law of acceleration) มใจความวา “เมอมแรงลพธทมคาไมเทากบศนย มากระท าตอวตถ จะท าใหวตถเคลอนทดวยความเรงในทศเดยวกบแรงลพธ ซงขนาดของความเรงจะแปรผนตรงกบขนาดของแรงลพธ และจะแปรผกผนกบมวลของวตถ”

• แรงกรยา เปนแรงทกระท าตอวตถ• แรงปฏกรยา เปนแรงทวตถโตตอบตอแรงทมากระท า• กฎการเคลอนทขอท 3 ของนวตน เรยกวา กฎของแรงกรยาและแรงปฏกรยา

แรงกรยาและแรงปฏกรยา

กฎของแรงกรยาและแรงปฏกรยา

ลกษณะส าคญของแรงกรยาและแรงปฏกรยา

“ทกแรงกรยายอมมแรงปฏกรยาทมขนาดเทากน แตมทศทางตรงขามกนเสมอ”

- เกดขนพรอมกนเสมอ - มขนาดเทากน- มทศทางตรงขามกน- กระท าตอวตถคนละชนกน

แรงลอยตวหรอแรงพยงของของเหลว คอ แรงทของเหลวพยงวตถไว เมอวตถนนอยในของเหลว

วตถลอย• วตถมความหนาแนนนอยกวาของเหลว • แรงลอยตวเทากบน าหนกของวตถ ทชงในอากาศและเทากบน าหนกของของเหลวทถกแทนท

ลกษณะของวตถเมออยในของเหลว

แรงลอยตวหรอแรงพยงของของเหลว

วตถปรม• วตถมความหนาแนนเทากบของเหลว • แรงลอยตวเทากบน าหนกของวตถทชงในอากาศและเทากบน าหนกของของเหลวทถกแทนท

วตถจม• วตถมความหนาแนนมากกวาของเหลว • แรงลอยตวนอยกวาน าหนกของวตถทจมไปในของเหลวและเทากบน าหนกของของเหลวทถกแทนท

พลาสตก

เหลก

• ปรมาตรของของเหลวทถกแทนทจะเทากบปรมาตรของวตถสวนทจมลงในของเหลว

• น าหนกของวตถทชงในของเหลว จะมคานอยกวาน าหนกของวตถทชงในอากาศ

• น าหนกทหายไปในของเหลว จะเทากบน าหนกของของเหลวทถกวตถแทนท• น าหนกของของเหลวทถกแทนท จะเทากบน าหนกของของเหลวทมปรมาตร

เทากบวตถสวนทจม

หลกของอารคมดส

• ชนดของวตถ: วตถทมความหนาแนนมาก จะจมลงไปในของเหลวมาก• ชนดของของเหลว: ของเหลวทมความหนาแนนมาก จะมแรงพยงมาก• ขนาดของวตถ: วตถทมขนาดใหญ จะมปรมาตรทจมลงไปในของเหลวมาก ท าใหแรงพยงมคามาก

ปจจยทเกยวของกบแรงลอยตวหรอแรงพยงของของเหลว

• เปนแรงเสยดทานทเกดจากผววตถ 2ชนทสมผสกน โดยทวตถนนยงไมมการเคลอนท

แรงเสยดทาน

แรงเสยดทานสถต

แรงเสยดทาน คอ ความตานทานหรอแรงตานทานการเคลอนทของวตถทเกดขนระหวางผวสมผสของวตถ 2 ชนทสมผสกน

• เปนแรงเสยดทานทเกดจากผววตถ 2 ชนทสมผสกน โดยทวตถนนก าลงเคลอนท

ปจจยทมผลตอแรงเสยดทาน• น าหนกของวตถ: วตถทมน าหนกกดทบลงบนพนผวมาก จะมแรงเสยดทานมาก• รปรางของวตถ: วตถทมรปรางเพรยวจะมแรงเสยดทานนอยกวาวตถทมรปรางปาน• ลกษณะพนผวสมผส: ผวสมผสเรยบจะเกดแรงเสยดทานนอยกวาผวสมผสทขรขระ

แรงเสยดทานจลน

การค านวณหาแรงเสยดทาน ค านวณไดจากผลคณระหวางสมประสทธของแรงเสยดทานกบแรงทกดทบลงบนผวสมผส ดงสมการ

f = µN

เมอ f แทนแรงเสยดทาน มหนวยเปนนวตน (N)µ แทนสมประสทธของแรงเสยดทาน ไมมหนวยN แทนน าหนกของวตถ มหนวยเปนนวตน (N)

ตวอยาง

ประโยชนของการเพมแรงเสยดทาน• การผลตยางลอรถยนตใหมดอกยาง ท าใหรถยนต

เกาะพนถนนไดด• พนรองเทา หากใชวสดทชวยเพมแรงเสยดทาน

จะชวยใหมการทรงตวและเคลอนไหวทสะดวก

ประโยชนของการลดแรงเสยดทาน• การหยอดน ามนหลอลนลงไปทแกนบานพบประตหรอหนาตางชวยใหเปดปดสะดวกขน • การใชน ามนหลอลนชวยลดการสกหรอของลกสบและกระบอกสบของเครองจกรกล

การน าความรเกยวกบแรงเสยดทานมาประยกตใช

โมเมนตของแรง

โมเมนตของแรง เปนแรงทท าใหวตถเคลอนทรอบจดหมน ซงสามารถแบงตามทศทางการหมนได 2 ชนด ดงน

• โมเมนตทวนเขมนาฬกา• โมเมนตตามเขมนาฬกา

M = F x I

เมอ M แทนโมเมนตของแรง มหนวยเปนนวตนเมตร (Nm)F แทนขนาดของแรง มหนวยเปนนวตน (N)I แทนระยะทางตงฉากจากจดหมนถงแนวแรง มหนวยเปนเมตร (m)

โมเมนตของแรง คอ ผลคณระหวางขนาดของแรงกบระยะทางทตงฉากจากจดหมนมาถงแนวแรงทกระท า ไดดงสมการ

โมเมนตของแรง

ตวอยาง

หลกการของโมเมนต

ถามแรงกระท าตอวตถชนหนงหลายแรง แลวแรงกระท านนท าใหวตถอยในสภาพสมดล วตถจะไมเคลอนทและไมหมน กลาวไดวา “ผลรวมของโมเมนตทวนเขมนาฬกาเทากบผลรวมของโมเมนตตามเขมนาฬกา”

Mทวน = Mตาม

F1 x I1 = F2 x I2

ตวอยาง

คานคานเปนเครองกลชนดหนงทมลกษณะเปนแทงยาวและแขง สามารถหมนได

รอบจดหมนหรอจดฟลครม เมอแบงประเภทของคานตามจดหมน (F) แรงพยายาม (W) และแรงตานทาน (E) สามารถแบงได 3 ประเภท

• คานอนดบ 1 เปนคานทมจดหมนอยระหวางแรงพยายามกบแรงตานทาน ซงจะชวยผอนแรงในการท างาน

การน าโมเมนตของแรงไปใชประโยชน

• คานอนดบท 3 เปนคานทมแรงพยายามอยระหวางแรงตานทานกบจดหมน ซงไมชวยผอนแรง แตชวยอ านวยความสะดวกในการท างาน

• คานอนดบ 2 เปนคานทมแรงตานทานอยระหวางจดหมนกบแรงพยายาม ซงจะชวยผอนแรงในการท างาน

การเคลอนทของวตถ

เปนการเคลอนทของวตถไปในทศทางทขนานกบพนโลก

เปนการเคลอนทของวตถในแนวตงฉากกบพนโลก โดยมแรงโนมถวงกระท าตอวตถตลอดการเคลอนท โดยการตกของวตถในลกษณะน เรยกวา การตกอยางอสระ

การเคลอนทแนวตรง

การเคลอนทในแนวราบ

การเคลอนทในแนวดง

เปนการเคลอนทในแนวโคงแบบพาราโบลา ซงเกดจากวตถมการเคลอนท 2 แนวพรอมกน คอ ในแนวราบและแนวดง

เปนการเคลอนททมแรงกระท าเขาสศนยกลางของวงกลม เรยกวา แรงสศนยกลาง

การเคลอนทแนวโคง

การเคลอนทแบบโพรเจกไทล

การเคลอนทแบบวงกลม

งานและพลงงาน

งาน คอ ผลคณระหวางแรงในทศทางการเคลอนทกบระยะทางทเคลอนท ซงเปนปรมาณสเกลาร โดยสามารถค านวณหางานไดจากสมการตอไปน

W = F x s

เมอ W แทนงาน มหนวยเปนนวตนเมตร หรอจล (Nm หรอ J)F แทนแรง มหนวยเปนนวตน (N)s แทนระยะทางทวตถเคลอนทไปในทศทางเดยวกบแนวแรง มหนวยเปนเมตร (m)

งาน 1 จล คอ งานทเกดจากแรง 1 นวตน กระท าใหวตถเคลอนทไปในระยะทาง 1 เมตร ตามทศทางของแรงทกระท า

งานและพลงงาน

ตวอยาง

กรณงานมคาเปนศนย แสดงวาไมเกดงาน ซงจะเกดขนในกรณตอไปน

- แรงทกระท าตอวตถมคาเปนศนย- ระยะทางมคาเปนศนย- แนวแรงตงฉากกบระยะทาง

ก าลง คอ ปรมาณทบอกถงความสามารถในการท างานไดตอหนงหนวยเวลา ซงเขยนเปนสมการได ดงน

เมอ P แทนก าลง มหนวยเปนจลตอวนาท หรอวตต (J/s หรอ Watt)W แทนงาน มหนวยเปนจล (J)t แทนเวลา มหนวยเปนวนาท (s)

ก าลง

ตวอยาง

• พลงงาน คอ ความสามารถในการท างานไดของวตถหรอสสารตางๆ• พลงงานไมสามารถสรางขนมาใหมได แตสามารถเปลยนรปได• พลงงานทมอยในวตถทกชนด ไดแก พลงงานกล ซงแบงออกเปนพลงงานศกย

และพลงงานจลน

พลงงาน

พลงงานศกย

พลงงานศกยโนมถวง: พลงงานทสะสมอยในวตถทอยสงจากพนโลก ซงถาวตถอยสงจากพนโลกมากจะมพลงงานศกยโนมถวงมาก

พลงงานศกยยดหยน: พลงงานทสะสมอยในวตถทยดหยนได เมอไดรบแรงกระท าจะยดออกและสามารถกลบสสภาพเดมได

เปนพลงงานทสะสมอยในวตถและพรอมทจะท างาน

• เปนพลงทเกดกบวตถทก าลงเคลอนท• วตถทเคลอนทดวยอตราเรวสงจะมพลงงานจลนมากกวาวตถทเคลอนทดวยอตราเรวต า• หากวตถเคลอนทดวยอตราเรวเทากน วตถทมมวลมากจะมพลงงานจลนมากกวาวตถทมมวลนอย

พลงงานจลน

กฎการอนรกษพลงงาน กลาววา “พลงงานเปนสงทไมสามารถสรางขนใหมและไมสามารถท าใหสญหายหรอท าลายได แตจะเกดการเปลยนรปพลงงานจากรปหนง ไปเปนอกรปหนง”

• การผลตกระแสไฟฟา โดยปลอยใหน าจากเขอนไหลไปหมนกงหน ซงจะมการเปลยนแปลงพลงงานศกยเปนพลงงานจลน

• กระบวนการสงเคราะหดวยแสงของพช ซงเปลยนพลงงานแสงเปนพลงงานเคม• การท างานของเตารด เปลยนพลงงานไฟฟาใหเปนพลงงานความรอน

กฎการอนรกษพลงงาน

การน าความรเกยวกบกฎการอนรกษพลงงานไปใชประโยชน

• ความเรง เปนการเปลยนแปลงความเรวของวตถในหนงหนวยเวลา• แรงกรยาและแรงปฏกรยา จะเกดขนพรอมกนเสมอ มขนาดเทากน แตมทศตรงขามกน และกระท าตอวตถคนละชน

• แรงพยงของของเหลว เปนแรงทของเหลวพยงวตถไวเมอวตถนนอยในของเหลว• แรงเสยดทาน เกดขนระหวางผวสมผสของวตถ 2 ชนทสมผสกน ซงมทศตรงขามกบแรงทมากระท า

• การเคลอนทของวตถ แบงออกเปนการเคลอนทในแนวตรงและการเคลอนทในแนวโคง• งาน เปนผลของแรงทกระท าตอวตถ แลววตถเกดการเคลอนทไปในทศทางเดยวกบแรง• พลงงานกล แบงออกเปนพลงงานศกยและพลงงานจลน

สรปทบทวนประจ าหนวยการเรยนรท 5