แรงและการเคลื่อนที่ พลังงาน ม.3
TRANSCRIPT
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