หากจะเปรียบเทียบความต่างกับบทก่อนหน้า คงอยู่ที่ว่า ในบทที่แล้วไม่ได้สนใจครับว่าใครจะมาทำอะไรให้มันเคลื่อนที่ เพราะเราสนแต่ปริมาณในการเคลื่อนที่ว่า มีความเร็วเปลี่ยนไป มีความเร่งนะ เคลื่อนไปในระยะทางเท่านั้นนี้ แต่บทนี้เหมือนครอบความคิดในบทที่แล้วไปด้วยว่า อ่า เริ่มมีแรงมากระทำ มีการเคลื่อนที่ ดังนั้นไม่ต้องแปลกใจว่า เอาเรื่องบทก่อนมาใช้ด้วยกระจายเลยครับ แต่ถ้าจะเอาให้ง่าย เหมือนบทก่อนอาจจะต้องบอกว่า ความเร่งเท่าไหร่ ให้มาเลย แต่บทนี้ ความเร่งก็หามาจากผลรวมของแรง เท่ากับมวลคูณความเร่ง (ตามกฎนิวตันข้อ 2) แค่นั้นเองเลยครับ
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
หัวข้อ
1. คำนิยามแรง
2. คำนิยามมวล
2. คำนิยามมวล
3. กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
4. การประยุกต์ใช้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
มาถึงส่วนแรกเราก็ต้องรู้จักองค์ประกอบที่สำคัญของการเคลื่อนที่เพิ่มเติมครับ นั่นคือ นิยามของแรง ซึ่งในรายละเอียดนั้นก็ดูได้จากคลิปด้านล่างได้เลยครับ
กล่าวโดยสรุปนั่นคือ แรง (Force, F) เป็นปริมาณเวกเตอร์ที่บ่งบอกความพยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) ซึ่งแรงที่ใช้ในการศึกษาในบทนี้ทั้งหมด รวมไปถึงในอนาคตด้วย ก็จะมีแรงโน้มถ่วง แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก แรงตึงเชือก แรงเสียดทาน แรงที่อ่านได้จากตาชั่ง โดยสรุปสามารถรับชมผ่านคลิปข้างล่างได้เลยครับ แต่หากอยากได้คำอธิบายเพิ่มเติมก็สามารถดูใน playlist ของบทที่ 2 ใน Physicfree4TH ได้เลยนะครับ
หากสรุปไวๆ ก็จะได้ตามนี้ครับ
1.แรงโน้มถ่วง แรงที่โลกดึงดูดวัตถุ W = mg มีทิศชี้ลงสู่พื้นโลกเสมอ (W = Weight, น้ำหนัก)
2.แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก แรงที่เกิดจากการสัมผัสกันกับผิวใดๆ มักแทนด้วย N (Normal force) จะมีทิศตั้งฉากกับผิวที่วัตถุไปสัมผัสเสมอ
3.แรงตึงเชือก เป็นแรงที่เกิดภายในเส้นเชือก มักแทนด้วย T (Tension force) จะมีทิศชี้ออกจากวัตถุที่เราสนใจเสมอ
ในระดับม.ปลายจะถูกกำหนดให้เท่ากันทั้งเส้น เนื่องจากมวลเชือกเบา และไม่มีแรงเสียดทานหากเชือกคล้องรอก (เพราะถ้าเชือกมีมวลหรือมีแรงเสียดทาน แรงจะไม่เท่ากันทั้งเส้น)
4. แรงเสียดทาน เป็นแรงที่เกิดขึ้นหากพื้นผิวสัมผัสมีความขรุขระ กำหนดโดย สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ระหว่างคู่ผิวสัมผัส (μ) มักแทนด้วย f (เอฟ เล็ก, Friction force) หากได้จาก f = μN มีทิศสวนทางกับการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น (ไม่จำเป็นว่าต้องสวนทางกับแรงที่เราออก)
ในรายละเอียดแรงเสียดทานมี 2 ชนิดคือแรงเสียดทานสถิต (fs) คือเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่นิ่งหรือกำลังจะเคลื่อนที่ มีได้หลายค่า แต่ค่าที่สูงที่สุดหาได้จากสมการ fsmax = μsN และอีกชนิดคือ แรงเสียดทานจลน์ (fk) เกิดขึ้นเมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่ มีได้ค่าเดียว และหาจากสมการ fk = μkN
5. แรงที่อ่านได้จากตาชั่ง ในส่วนนี้ขึ้นอยู่กับว่าเป็นตาชั่งแบบใด ถ้าเป็นแบบแขวน ให้คิดซะว่าเหมือนหาแรงตึงเชือกได้เลย ส่วนถ้าเป็นแบบวางชั่ง ให้คิดซะว่าเหมือนหาแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก concept การลากแรงนั้นก็ตามแรงที่พิจารณาได้เลยครับ
หลังจากที่เรารู้จักแรงแล้วว่า ต่อมาก็มารู้จักมวล จริงๆแล้ว มวลก็ตรงไปตรงมาแหละครับว่า โจทย์จะให้มาอยู่แล้ว แต่ก็แวะชมคลิปด้านล่างก่อนได้ครับ
ซึ่งคำนิยามของมวล ตัวแปรที่จะใช้ก็คือ m มาจาก mass จะมีหน่วยเป็น kg ตามหน่วย SI Units ครับ ซึ่งในตัวนิยามมันจะกล่าวว่า มวลเป็นปริมาณที่ต้านการเคลื่อนที่ ก็ตรงไปตรงมาว่า มวลเยอะเราก็ต้องพยายามมากที่ทำให้มันเคลื่อนที่ มวลน้อยก็ใช้ความพยายามน้อย เช่น เข็นรถยนต์ กับ เข็นเก้าอี้ มวลต่างกันลิบลับแบบนี้ พอเห็นภาพนะครับ ซึ่งถ้าลงไปในรายละเอียด การเรียนในระดับนี้เราสนใจวัตถุเป็นจุดอนุภาค หรือวัตถุที่ 0 มิติ ดังนั้นบางทีเราบอกว่าออกแรงกับรถ วาดรูปรถขึ้นมา ก็อาจจะสับสนได้ ว่าเอ้ะ สรุปแรงที่กระทำอะไรมันเท่าไหร่บ้าง ในบทนี้ กลมๆไปก่อนเลยครับว่า มวลหรือวัตถุที่เขาพูดถึงทั้งหมด มันเป็นรูปแบบที่เป็นจุดอนุภาคครับ
หลังจากรู้องค์ประกอบเพิ่มแล้ว เราก็จะเริ่มเข้าสู่กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันกันแล้วครับดูคลิปโดยสรุปจากกฎของนิวตันทั้งสองคลิปข้างล่างนี้ได้เลยครับ
โดยกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันจะมีอยู่ 3 ข้อด้วยกัน
กฎข้อที่ 1 ∑F = 0
ส่วนนี้ก็คือผลรวมของแรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุนั้นเท่ากับศูนย์ ส่งผลให้ใครวัตถุหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เพราะไม่มีความเร่งครับ (แอบชำเลืองไปที่กฎข้อที่ 2) บางทีก็เรียกกฎของนี้ว่า กฎของความเฉื่อยด้วยเช่นกัน อธิบายได้ด้วยปรากฎการณ์เช่นที่ว่าเวลารถเลี้ยวด้วยความเร็วระดับหนึ่งเราอาจจะตัวโยกไปทิศทางตรงกันข้ามกับที่รถเคลื่อนที่ หรือเวลารถเบรกแล้วเราหัวทิ่ม เป็นต้นครับ
กฎข้อที่ 2 ∑F = ma
ส่วนนี้ก็เป็นตรงข้ามกับข้อแรกคือถ้าผลรวมของแรงไม่เท่ากับศูนย์ ก็จะส่งผลให้มวลวัตถุนั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร่งตามสมการนี้ครับ ข้อสังเกตก็คือทิศทางของผลรวมแรงจะมีทิศเดียวกับความเร่งเสมอ ดังนั้นจุดนี้เป็นจุดที่สำคัญเวลาเราจะทำการคำนวณในบทนี้ครับว่า เมื่อเราวิเคราะห์แรง หรือวิเคราะห์การเคลื่อนที่แล้วนั้น การรวมแรงซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์จะถูกกำหนดด้วยทิศทางของความเร่งหรือทิศที่วัตถุมีแนวโน้มจะเคลื่อนที่ไปในทิศนั้น ให้เป็นบวก อารมณ์คล้ายๆกำหนดให้ทิศความเร็วต้นเป็นบวก แต่การวิเคราะห์แรงดูความเร่งเป็นสำคัญครับ หรือถ้าเรารู้ว่าผลรวมแรงชี้ไปทางไหน เราก็จะรู้ว่าความเร่งจะชี้ไปทางทิศนั้นเหมือนกันครับ
กฎข้อที่ 3 Action = Reaction
ในส่วนนี้สรุปง่ายๆว่า แรงที่เรากระทำจะมีแรงคู่ปฏิกิริยาของมันเสมอเช่น เราตีโต๊ะ โต๊ะก็ตีเรากลับ เหมือนกัน สองแรงนี้เหมือนเราเขียนจับมันเท่ากันในสมการได้ แต่ในความเป็นจริงแล้ว สองแรงนี้ไม่สามารถหักล้างกันได้ เพราะมันกระทำกันบนคนละวัตถุ กล่าวคือ หากเราเขียนแรงของวัตถุใดวัตถุหนึ่ง มันจะปรากฎแค่แรงเดียว ไม่มีทางที่แรงทั้งสองจะอยู่ในวัตถุเดียวกันเป็นอันขาด! เพราะมันทำกันคนละวัตถุไง! และวิธีการหาแรงปฏิกิริยา ผมว่าง่ายๆ เพียงแค่ว่า เราใช้เรื่องแกรมม่าภาษาไทยนี่หละครับ คือ เปลี่ยนประธานไปเป็นกรรม แล้วกรรมมาเป็นประธาน แบบที่ผมยกตัวอย่างข้างบนว่า แรงที่เราทำคือ เราตีโต๊ะ และแรงคู่ปฏิกิริยามันคือ โต๊ะตีเรา จบครับ
ขอแวะมาเล่าเรื่องข้อสอบนิดนึงเพราะจากประสบการณ์ น้องชอบโดนข้อสอบทฤษฎีหลอกครับ
โจทย์ให้รูปมาว่า วัตถุผูกติดกับเชือกแล้วห้อยลงมาจากเพดาน คำถามถามว่า แรงคู่ปฏิกิริยาของน้ำหนักมวลนี้คืออะไร ซึ่งน้องๆมักจะเลือกตัวเลือกที่เป็นแรงตึงเชือก เพราะเวลาเราเขียนแรงจะเห็นได้ว่า วัตถุมีแรงตึงเชือกกระทำ ชี้ขึ้น และน้ำหนัก ชี้ลง โอ้ โห พอดีเลย action = reaction ไงครับ ผิดมหันต์เลยนะครับ เพราะต้องย้อนกลับไปครับว่าน้ำหนักของวัตถุคือแรงอะไร (กลับไปที่ concept) นั่นคือแรงที่โลกดึงดูดวัตถุ ใช่ไหมครับ ดังนั้น หากอยากได้แรงคู่ปฏิกิริยาของมัน มันคืออะไรครับ ก็ต้องแรงที่วัตถุดึงดูดโลกสิครับ ซึ่งสามารถแวะไปชมแบบฝึกหัดข้อที่ผมพูดถึงนี้ได้จากคลิปข้างล่างเลยครับ (ข้อที่ 3 นะครับ)
มาถึงจุดนี้น้องก็อาจจะยังไม่เข้าใจมากขึ้นเท่าไหร่ เราคงต้องไปดูส่วนของการประยุกต์กันบ้างแล้วครับ ลองชมคลิปข้างล่างนี้ได้นะครับ ว่าถึงเวลาเราจะไปประยุกต์ใช้ เราต้องพิจารณาอะไรอย่างไรบ้างครับ
มาถึงส่วนแรกเราก็ต้องรู้จักองค์ประกอบที่สำคัญของการเคลื่อนที่เพิ่มเติมครับ นั่นคือ นิยามของแรง ซึ่งในรายละเอียดนั้นก็ดูได้จากคลิปด้านล่างได้เลยครับ
กล่าวโดยสรุปนั่นคือ แรง (Force, F) เป็นปริมาณเวกเตอร์ที่บ่งบอกความพยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) ซึ่งแรงที่ใช้ในการศึกษาในบทนี้ทั้งหมด รวมไปถึงในอนาคตด้วย ก็จะมีแรงโน้มถ่วง แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก แรงตึงเชือก แรงเสียดทาน แรงที่อ่านได้จากตาชั่ง โดยสรุปสามารถรับชมผ่านคลิปข้างล่างได้เลยครับ แต่หากอยากได้คำอธิบายเพิ่มเติมก็สามารถดูใน playlist ของบทที่ 2 ใน Physicfree4TH ได้เลยนะครับ
1.แรงโน้มถ่วง แรงที่โลกดึงดูดวัตถุ W = mg มีทิศชี้ลงสู่พื้นโลกเสมอ (W = Weight, น้ำหนัก)
2.แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก แรงที่เกิดจากการสัมผัสกันกับผิวใดๆ มักแทนด้วย N (Normal force) จะมีทิศตั้งฉากกับผิวที่วัตถุไปสัมผัสเสมอ
3.แรงตึงเชือก เป็นแรงที่เกิดภายในเส้นเชือก มักแทนด้วย T (Tension force) จะมีทิศชี้ออกจากวัตถุที่เราสนใจเสมอ
ในระดับม.ปลายจะถูกกำหนดให้เท่ากันทั้งเส้น เนื่องจากมวลเชือกเบา และไม่มีแรงเสียดทานหากเชือกคล้องรอก (เพราะถ้าเชือกมีมวลหรือมีแรงเสียดทาน แรงจะไม่เท่ากันทั้งเส้น)
4. แรงเสียดทาน เป็นแรงที่เกิดขึ้นหากพื้นผิวสัมผัสมีความขรุขระ กำหนดโดย สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ระหว่างคู่ผิวสัมผัส (μ) มักแทนด้วย f (เอฟ เล็ก, Friction force) หากได้จาก f = μN มีทิศสวนทางกับการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น (ไม่จำเป็นว่าต้องสวนทางกับแรงที่เราออก)
ในรายละเอียดแรงเสียดทานมี 2 ชนิดคือแรงเสียดทานสถิต (fs) คือเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่นิ่งหรือกำลังจะเคลื่อนที่ มีได้หลายค่า แต่ค่าที่สูงที่สุดหาได้จากสมการ fsmax = μsN และอีกชนิดคือ แรงเสียดทานจลน์ (fk) เกิดขึ้นเมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่ มีได้ค่าเดียว และหาจากสมการ fk = μkN
5. แรงที่อ่านได้จากตาชั่ง ในส่วนนี้ขึ้นอยู่กับว่าเป็นตาชั่งแบบใด ถ้าเป็นแบบแขวน ให้คิดซะว่าเหมือนหาแรงตึงเชือกได้เลย ส่วนถ้าเป็นแบบวางชั่ง ให้คิดซะว่าเหมือนหาแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก concept การลากแรงนั้นก็ตามแรงที่พิจารณาได้เลยครับ
หลังจากที่เรารู้จักแรงแล้วว่า ต่อมาก็มารู้จักมวล จริงๆแล้ว มวลก็ตรงไปตรงมาแหละครับว่า โจทย์จะให้มาอยู่แล้ว แต่ก็แวะชมคลิปด้านล่างก่อนได้ครับ
หลังจากรู้องค์ประกอบเพิ่มแล้ว เราก็จะเริ่มเข้าสู่กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันกันแล้วครับดูคลิปโดยสรุปจากกฎของนิวตันทั้งสองคลิปข้างล่างนี้ได้เลยครับ
กฎข้อที่ 1 ∑F = 0
ส่วนนี้ก็คือผลรวมของแรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุนั้นเท่ากับศูนย์ ส่งผลให้ใครวัตถุหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เพราะไม่มีความเร่งครับ (แอบชำเลืองไปที่กฎข้อที่ 2) บางทีก็เรียกกฎของนี้ว่า กฎของความเฉื่อยด้วยเช่นกัน อธิบายได้ด้วยปรากฎการณ์เช่นที่ว่าเวลารถเลี้ยวด้วยความเร็วระดับหนึ่งเราอาจจะตัวโยกไปทิศทางตรงกันข้ามกับที่รถเคลื่อนที่ หรือเวลารถเบรกแล้วเราหัวทิ่ม เป็นต้นครับ
กฎข้อที่ 2 ∑F = ma
ส่วนนี้ก็เป็นตรงข้ามกับข้อแรกคือถ้าผลรวมของแรงไม่เท่ากับศูนย์ ก็จะส่งผลให้มวลวัตถุนั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร่งตามสมการนี้ครับ ข้อสังเกตก็คือทิศทางของผลรวมแรงจะมีทิศเดียวกับความเร่งเสมอ ดังนั้นจุดนี้เป็นจุดที่สำคัญเวลาเราจะทำการคำนวณในบทนี้ครับว่า เมื่อเราวิเคราะห์แรง หรือวิเคราะห์การเคลื่อนที่แล้วนั้น การรวมแรงซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์จะถูกกำหนดด้วยทิศทางของความเร่งหรือทิศที่วัตถุมีแนวโน้มจะเคลื่อนที่ไปในทิศนั้น ให้เป็นบวก อารมณ์คล้ายๆกำหนดให้ทิศความเร็วต้นเป็นบวก แต่การวิเคราะห์แรงดูความเร่งเป็นสำคัญครับ หรือถ้าเรารู้ว่าผลรวมแรงชี้ไปทางไหน เราก็จะรู้ว่าความเร่งจะชี้ไปทางทิศนั้นเหมือนกันครับ
กฎข้อที่ 3 Action = Reaction
ในส่วนนี้สรุปง่ายๆว่า แรงที่เรากระทำจะมีแรงคู่ปฏิกิริยาของมันเสมอเช่น เราตีโต๊ะ โต๊ะก็ตีเรากลับ เหมือนกัน สองแรงนี้เหมือนเราเขียนจับมันเท่ากันในสมการได้ แต่ในความเป็นจริงแล้ว สองแรงนี้ไม่สามารถหักล้างกันได้ เพราะมันกระทำกันบนคนละวัตถุ กล่าวคือ หากเราเขียนแรงของวัตถุใดวัตถุหนึ่ง มันจะปรากฎแค่แรงเดียว ไม่มีทางที่แรงทั้งสองจะอยู่ในวัตถุเดียวกันเป็นอันขาด! เพราะมันทำกันคนละวัตถุไง! และวิธีการหาแรงปฏิกิริยา ผมว่าง่ายๆ เพียงแค่ว่า เราใช้เรื่องแกรมม่าภาษาไทยนี่หละครับ คือ เปลี่ยนประธานไปเป็นกรรม แล้วกรรมมาเป็นประธาน แบบที่ผมยกตัวอย่างข้างบนว่า แรงที่เราทำคือ เราตีโต๊ะ และแรงคู่ปฏิกิริยามันคือ โต๊ะตีเรา จบครับ
ขอแวะมาเล่าเรื่องข้อสอบนิดนึงเพราะจากประสบการณ์ น้องชอบโดนข้อสอบทฤษฎีหลอกครับ
โจทย์ให้รูปมาว่า วัตถุผูกติดกับเชือกแล้วห้อยลงมาจากเพดาน คำถามถามว่า แรงคู่ปฏิกิริยาของน้ำหนักมวลนี้คืออะไร ซึ่งน้องๆมักจะเลือกตัวเลือกที่เป็นแรงตึงเชือก เพราะเวลาเราเขียนแรงจะเห็นได้ว่า วัตถุมีแรงตึงเชือกกระทำ ชี้ขึ้น และน้ำหนัก ชี้ลง โอ้ โห พอดีเลย action = reaction ไงครับ ผิดมหันต์เลยนะครับ เพราะต้องย้อนกลับไปครับว่าน้ำหนักของวัตถุคือแรงอะไร (กลับไปที่ concept) นั่นคือแรงที่โลกดึงดูดวัตถุ ใช่ไหมครับ ดังนั้น หากอยากได้แรงคู่ปฏิกิริยาของมัน มันคืออะไรครับ ก็ต้องแรงที่วัตถุดึงดูดโลกสิครับ ซึ่งสามารถแวะไปชมแบบฝึกหัดข้อที่ผมพูดถึงนี้ได้จากคลิปข้างล่างเลยครับ (ข้อที่ 3 นะครับ)
มาถึงจุดนี้น้องก็อาจจะยังไม่เข้าใจมากขึ้นเท่าไหร่ เราคงต้องไปดูส่วนของการประยุกต์กันบ้างแล้วครับ ลองชมคลิปข้างล่างนี้ได้นะครับ ว่าถึงเวลาเราจะไปประยุกต์ใช้ เราต้องพิจารณาอะไรอย่างไรบ้างครับ
ซึ่งในส่วนนี้ผมค่อนข้างจะให้ความสำคัญกับเขียนแผนภาพแรง (Free Body Diagram) มากๆครับ เพราะมันชี้เป็นชี้ตายมากว่าจะทำโจทย์ข้อนั้นถูกหรือไม่ เพราะหากเราไม่เข้าใจ concept ตั้งแต่แรกว่าแต่ละแรงมีลักษณะอย่างไร ก็เตรียมเกมส์ได้เลยครับ ดังนั้นผมจะสรุปดังนี้ครับ
1. เรากำลังสนใจแรงของวัตถุอะไร?
ส่วนนี้อาจจะยังไม่ยากมาก ถ้าวัตถุที่เราสนใจเป็นเพียงระบบมวลเดี่ยวหรือ มีมวลอันเดียว จะไปเขียนของใครให้งงอีกเล่า แต่ถ้าเป็นมวลระบบหรือมีหลายวัตถุเคลื่อนที่ด้วยกันเมื่อไหร่ คำถามคือเรากำลังเขียนแรงของวัตถุอะไร
2. เขียนแรงและทิศทางให้ถูกต้อง
ในระดับม.ปลายไม่ต้องคิดมากเลยครับ เพราะแรงที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ จะมีเพียง 5 แรงที่กล่าวข้างต้นนี้เองครับ จำ 5 แรงได้ ก็ถามตัวเองว่าวัตถุมีแรง 5 แรงนั้นกระทำมั้ย
1. น้ำหนัก มีมวลไหม? มันก็มีมวลทุกวัตถุอยู่แล้ว ดังนั้น mg ชี้ลงมาก่อนเลยแรงแรก
2. แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก วัตถุที่เราสนใจกำลังไปสัมผัสแต่พื้นผิวไหนไหม ถ้ามี ทิศตั้งฉากออกจากผิวนั้น มักแทนตัวแปร N
3. แรงตึงเชือก มีเชือกผูกติดไหม ถ้ามี ชี้ออกจากวัตถุที่เราสนใจ แทนตัวแปร T
4. แรงเสียดทาน พื้นผิวมีแรงเสียดทานไหม มีทิศจะสวนทางกับการเคลื่อนที่ แรงเสียดทานมี 2 ประเภท สถิต หรือจลน์ สถิตเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ที่หรือกำลังจะเคลื่อนที่ จลน์ก็จะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่อยู่
5. แรงจากเครื่องวัด อย่างที่บอกหากมีเครื่องวัดทั้งหลายให้แทนที่ด้วยแรงที่สื่อความหมายของอุปกรณ์นั้นกล่าวคือ ตาชั่งแบบแขวน ก็แทนด้วยแรงตึงเชือกแล้วใช้คอนเซปแรงตึงเชือกแทนไปเลย แต่ถ้าเป็นเครื่องชั่งแบบวางให้มองเป็นแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก
เมื่อ Checklist 5 แรงนี้แล้ว เขียนครบแล้ว ก็ค่อยลุยการคำนวณต่อเลย
ขอยกตัวอย่างการเขียนตามแผนภาพข้างล่างนี้ครับ
ในแผนโจทย์กำหนดให้ไม่มีแรงเสียดทานที่พื้นเอียง แต่มีแรงเสียดทานที่พื้น เนื้อความโจทย์จริงๆ ไม่ได้กล่าวมาว่าเคลื่อนที่ไปทางไหน ถามเพียงว่าความเร่งของระบบเป็นเท่าใด แต่ที่ยกมามีเจตนาจะให้ฝึกเขียนแรงแยกแต่ละมวล รวมไปถึง หากต้องการเขียนแรงของระบบที่ทำให้เคลื่อนที่ก็สามารถละแรงที่เกิดขึ้นระหว่างมวลได้
ขอเริ่มจากมวล A สีแดงก่อน ลองดูครับว่าแรงที่กระทำกับมวล A สีแดง 5 แรงที่เรียนมา มีแรงกระทำอะไรบ้าง
1. น้ำหนักมีแน่นอน mg ชี้ลง
2. แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก มีเพราะมันสัมผัสอยู่กับพื้นเอียง ก็จะมีทิศตั้งฉากกับผิวที่สัมผัส
3. มีแรงตึงเชือกไหม มีเพราะมีเชือกดึง ซึ่งมีทิศชี้ออกจากวัตถุที่เราสนใจ
4. แรงเสียดทานไม่มี เพราะเขากำหนดว่าพื้นเอียงไม่มีแรงเสียดทาน
5. แรงจากเครื่องชั่ง ไม่มีเพราะไม่ให้มา
เห็นไหมครับ เพียงแค่นี้เราก็สามารถเขียนแรงที่เกิดขึ้นกับมวล A สีแดงได้ครบถ้วนแล้วครับ ส่วนสีเขียวเล็กๆที่แตกมุมไป ก็ต้องทำหากจะพิจารณาการเคลื่อนที่มวล A สีแดงเพราะอยู่บนพื้นเอียง ก็ควรแตกแรงให้อยู่ในแนวขนานกับพื้นเอียงและตั้งฉากกับพื้นเอียง เหมือนที่เราพิจารณาการเคลื่อนที่ในแนวราบนั่นเองครับ
พอมาดูมวล B สีน้ำเงิน ก็เช่นเดิมครับ ไล่ checklist มาเลยครับ
1. น้ำหนักมีแน่นอน mg ชี้ลง
2. แรงปฏิกิริยาตั้งฉากไม่มีเพราะไม่ได้สัมผัสกับใคร ลอยห้อยอยู่
3. แรงตึงเชือกมีเชือกติดอยู่ 2 ทาง แต่อย่างไร concept คือแรงจะชี้ออกจากวัตถุที่เราสนใจ ดังนั้นเส้นบนก็จะชี้ขึ้น คือออกชี้ออกจากวัตถุ เส้นล่างก็จะชี้ลง เพราะชี้ออกจากวัตถุ แต่ที่ใช้คนละสีเพราะมันคนละเส้นกัน ดังนั้นก็จะมีแรงตึงเชือกคนละค่ากัน แต่สังเกตได้ครับว่าแรงตึงเชือกสีแดงอันนี้จะเป็นมีค่าเดียวกันกับของมวล A สีแดงเพราะเป็นเส้นเชือกเส้นเดียวกันครับ
4. แรงเสียดทาน อันนี้ก็ไม่มี
5. แรงจากเครื่องชั่งก็ไม่มีเช่นกันครับ
พอมาดูมวล C สีฟ้า ก็ลองไล่ checklist ดูครับ
1. น้ำหนัก เหมือนเดิม mg ชี้ลง
2. แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก มีชี้ขึ้นเพราะสัมผัสกับพื้นขางล่าง มีทิศตั้งฉาก
3. แรงตึงเชือกมีก็จะชี้ซ้าย เพราะมันชี้ออกจากวัตถุ และเช่นเดิมครับ ก็จะมีค่าเท่ากันกับเส้นที่ทำบนมวล B สีน้ำเงิน เพราะเป็นเชือกเส้นเดียวกันครับ
4. แรงเสียดทาน อันนี้มีละ เพราะว่าวัตถุเคลื่อนที่บนพื้นที่มีแรงเสียดทาน และจากการพิจารณานี้วัตถุก็จะเคลื่อนที่ไปทางซ้ายเพราะทั้งระบบนี้มวล A สีแดงก็ลากทุกสิ่งอย่างลงตามพื้นเอียง ดังนั้นจาก concept ที่ว่าแรงเสียดทานมีทิศสวนทางกับการเคลื่อนที่ ดังนั้น แรงเสียดทานตั้งชี้ไปทางขวาครับ ส่วนเป็นสถิตหรือจลน์ ต้องเป็นจลน์แน่นอนเพราะที่โจทย์ถามถึงได้ถามว่าวัตถุมีความเร่งเท่าใด แปลว่ามันเคลื่อนที่แล้ว ดังนั้นจึงต้องใช้แรงเสียดทานจลน์ครับ
5. แรงจากเครื่องชั่งก็ไม่มีเหมือนเดิมครับ
พอสุดท้ายหากพิจารณาทั้งระบบแบบรูปข้างล่างเราจะไม่ต้องเขียนแรงที่เกิดขึ้นภายใน แรงที่เกิดขึ้นภายในคืออะไร คือแรงที่วัตถุกระทำต่อกัน เช่นวัตถุที่วางติดกัน ก็จะมีแรงปฏิกิริยาตั้งฉากกระทำกันและกัน และมันไม่ได้ทำให้มีผลต่อการเคลื่อนที่ เช่นเดียวกับระบบที่ผูกเชือกติดกัน เวลาพิจารณาแรงทั้งระบบก็จะไม่ต้องเอามาเขียนด้วย เพราะเป็นแรงภายใน คิดง่ายๆอีกอย่าง เมื่อเราพิจารณาวัตถุเป็นมวลทั้งระบบแล้ว เราจะเขียนทิศของแรงตึงเชือกได้อย่างไรครับ ไม่งงหรอครับ เพราะแรงตึงเชือกต้องชี้ออกจากวัตถุที่สนใจ แล้วตอนนี้เราสนใจทั้งระบบ แรงตึงเชือกมันอยู่ข้างในจะเขียนทิศได้อย่างไรครับ ดังนั้นแรงภายในทั้งหลายก็จะไม่ต้องพิจารณาหากเรากำลังมองวัตถุทั้งระบบ
ทีนี้ที่เขียนไปทั้งหมด จะพบว่าเราจะเขียนแรงเฉพาะที่ส่งผลต่อระบบ เช่นน้ำหนักที่แตกทิศแล้วของมวล A สีแดง เพราะมันเป็นแรงที่ดึงระบบทุกอย่างลงไป น้ำหนักมวล B สีน้ำเงินก็จะมีผลต่อการเคลื่อนที่เพราะวัตถุ B เคลื่อนที่ในแนวดิ่ง ซึ่งวัตถุ B จะถูกลากขึ้นในแนวดิ่ง ดังนั้นแรงในแนวดิ่งก็จะมีน้ำหนักที่สวนทางไป (อย่าลืมครับแรงภายในไม่ต้องสนใจเวลาพิจารณาทั้งระบบเลยครับ) ส่วนมวล C ต้องพิจารณาน้ำหนักไหมครับ ?... ไม่ต้องครับ เพราะมันไม่ได้อยู่ในแนวการเคลื่อนที่ที่ระบบเคลื่อนที่ไปไงครับ เพราะมันเคลื่อนที่ไปทางซ้าย น้ำหนักหรือแรงปฏิกิริยามันตั้งฉากกับแนวทางเคลื่อนที่ มันจะไปส่งผลอะไรต่อการเคลื่อนที่ครับ ดังนั้นแรงที่จะมีผลจริงๆ คือแรงเสียดทาน เพราะมันมีทิศทางสวนทางกับการเคลื่อนที่ซึ่งส่งผลต่อการเคลื่อนที่ระบบแน่นอนครับ
เป็นอย่างไรบ้างครับนี่เป็นเพียงตัวอย่างของการพิจารณาแผนภาพแรงหรือ Free body diagram น้องค่อยๆ ฝึกฝน พิจารณาตามแนวทางที่กล่าวข้างต้น น้องจะไม่หลุดอย่างแน่นอนครับ
แนวโจทย์ของการเคลื่อนที่นิวตันจะว่าหลากหลายจนจับทางไม่ได้ก็ไม่เชิง แต่พี่เชื่อว่าแบบฝึกหัดที่มีของทางช่อง Physicfree4TH พี่พยายามรวบรวมแนวให้หลากหลายที่สุดที่ข้อสอบเคยออกมา ก็น่าจะเพียงพอถ้าเกิดเจอแนวประยุกต์นี้อื่นๆ ก็น่าจะทำได้นะครับ
บทวิเคราะห์ข้อสอบในบทนี้
อย่างที่เล่าให้ฟังไปครับว่าเนื้อหาในบทนี้ค่อนข้างน้อยแต่แนวโจทย์มีความหลากหลายมากกกก และเนื้อหาฟิสิกส์ก็ชอบเป็นแบบนี้ด้วยครับคือ บางเทอมเรียน 2-3 สมการเป็นเดือนๆแต่โจทย์ร้อยแปดพันเก้ามาก แต่บางเทอมสมการเยอะมากกก แต่โจทย์สามารถแทนสูตรออกได้ดื้อๆแบบไม่ซับซ้อนเลยก็มี ดังนั้นบทนี้ต้องอาศัยความเข้าใจและการฝึกหัดทำโจทย์มากๆครับ โดยเฉพาะการพิจารณาแผนภาพแรงหรือ Free body diagram และเนื่องจากมันมีความเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่เป็นหลัก เฉกเช่นเรื่องไฟฟ้า ฟิสิกส์อะตอม อะไรลามไปทั่วครับ ดังนั้นการเข้าใจความหมาย เข้าใจการประยุกต์ใช้งานจึงเป็นเรื่องที่สำคัญมากๆ ของฟิสิกส์ในระดับมัธยมปลายเลยก็ว่าได้ครับ
มีคำถามหรือข้อเสนอแนะใดๆ ติดต่อได้ที่ Physicfree4TH@gmail.com ครับ
ดาวน์โหลดเอกสารการเรียนได้ ที่นี่
เยี่ยมชม Channel youtube: Physicfree4TH
