การเคลื่อนที่แนวตรง (Rectilinear motion)

ความหมายของการเคลื่อนที่

– การเคลื่อนที่ (Motion) หมายถึง ขบวนการอย่างหนึ่งที่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งอย่างต่อเนื่องตามเวลาที่ผ่านไป โดยมีทิศทางและระยะทาง

– การเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง (Rectilinear motion) หมายถึง การเคลื่อนที่ของวัตถุที่เป็นแนวเส้นตรงซึ่งความสัมพันธ์ระหว่างความเร็ว เวลา ความเร่ง และระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปได้ (นันทพงษ์ ลายทอง และคณะ, 2549) ลักษณะการเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง สิ่งต่าง ๆ ที่อยู่รอบตัวซึ่งมีการเคลื่อนที่นั้นจะมีการเคลื่อนที่แตกต่างกันออกไป เช่น การเคลื่อนที่ในแนวตรง แนวโค้ง เป็นวงกลม หรือกลับไปกลับมาในการที่เราจะพิจารณาว่าวัตถุมีการเคลื่อนที่หรือไม่ พิจารณาที่ มีการเปลี่ยนตำแหน่งหรือไม่ ถ้ามีการเปลี่ยนตำแหน่ง ถือเป็นการเคลื่อนที่

– การบอกตำแหน่งของวัตถุ การบอกตำแหน่งของสิ่งต่าง ๆ นั้นทำได้โดยการบอกตำแหน่งเทียบกับตำแหน่งหรือสิ่งที่สังเกตได้โดยง่าย ซึ่งเรียกว่า ตำแหน่งอ้างอิงหรือจุดอ้างอิง ซึ่งต้องเป็นจุดที่หยุดนิ่ง

ในชีวิตประจำวัน เราพบเห็นการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆ เช่น นกบิน รถยนต์แล่นบนถนน ลูกฟุตบอลเคลื่อนที่ในอากาศ ใบพัดลมหมุน เด็กแกว่งชิงช้า ผลไม้หล่นจากต้น เป็นต้น การเคลื่อนที่ดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะอย่างไร และขึ้นกับปัจจัยอะไรบ้าง นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป

ความหมายของการเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่ (Motion) หมายถึง ขบวนการอย่างหนึ่งที่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งอย่างต่อเนื่องตามเวลาที่ผ่านไปโดยมีทิศทางและระยะทาง

การเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง

การเคลื่อนที่แนวตรง เป็นการเคลื่อนที่ของวัตถุจากตำแหน่งหนึ่งไปสู่อีกตำแหน่งหนึ่ง มีแนวทางการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ได้แก่ การเคลื่อนที่ของรถบนรางตรง การตกของวัตถุ ภายใต้แรงดึงดูดของโลก ในการเปลี่ยนตำแหน่งหรือการเคลื่อนที่ของวัตถุย่อมเกี่ยวข้องกับปริมาณต่าง ๆ เช่น ระยะทาง การกระจัด อัตราเร็ว ความเร็ว และความเร่ง เป็นปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แนวตรง

ปริมาณที่เกี่ยวข้อง

ความเร่ง (Acceleration)

ความเร่ง หมายถึง ความเร็วที่เปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลา ความเร่งของวัตถุอาจมีค่าไม่คงตัว คือ อาจเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้ตลอดเวลา เราจึงมักบอกความเร่งในรูปของ “ความเร่งเฉลี่ย” ซึ่งก็เป็น “อัตราส่วนระหว่างความเร็วที่เปลี่ยนไปทั้งหมด กับช่วงเวลาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วนั้น”

แรงก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ (Motion) หรือการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุ โดยมีองค์ประกอบที่สำคัญ ได้แก่

ระยะทาง (Distance) คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่จริงตามเส้นทางทั้งหมด เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตร
การกระจัด (Displacement) คือระยะทางที่สั้นที่สุดหรือความยาวของเส้นตรงสมมติที่ลากจากจุดเริ่มต้นถึงจุดสิ้นสุด เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร
เวลา (Time) คือระยะเวลาที่วัตถุใช้เดินทางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นวินาที
อัตราเร็ว (Speed) คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยในการเคลื่อนที่แต่ละช่วงเวลา วัตถุอาจไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่เสมอไป อัตราเร็วเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)
ความเร็ว (Velocity) คือการกระจัดของวัตถุในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที
อัตราเร่ง (Magnitude of Acceleration) คืออัตราเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที²
ความเร่ง (Acceleration) คือความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร/วินาที²

การเคลื่อนที่แนวตรงของวัตถุ เป็นการเคลื่อนที่ที่ไม่เปลี่ยนทิศทาง เช่น การเคลื่อนที่ของลูกมะพร้าวเมื่อตกจากต้นสู่พื้นดิน การเคลื่อนที่ของรถยนต์บนถนนตรง การเคลื่อนที่ของนักกีฬาว่ายน้ำในลู่ของสระ เป็นต้น
การเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง แบ่งเป็น 2 แบบ คือ
1. การเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงที่ไปทิศทางเดียวกันตลอด เช่น โยนวัตถุขึ้นไปตรงๆ รถยนต์ กำลังเคลื่อนที่ไปข้างหน้าในแนวเส้นตรง
2. การเคลื่อนที่ในแนวเส้นเส้นตรง แต่มีการเคลื่อนที่กลับทิศด้วย เช่น รถแล่นไปข้างหน้าในแนวเส้นตรง เมื่อรถมีการเลี้ยวกลับทิศทาง ทำให้ทิศทางในการเคลื่อนที่ตรงข้ามกัน

ในขณะที่รถยนต์เริ่มเคลื่อนที่บนถนนตรง คนขับจะเหยียบคันเร่งทำให้รถเคลื่อนที่เร็วขึ้น ถ้าสังเกตที่เข็มวัดอัตราเร็วบนหน้าปัดของรถ จะพบว่าเข็มเบนมากขึ้น แสดงว่ารถเคลื่อนที่ด้วย อัตราเร็ว (speed) เพิ่มขึ้น และถ้าพิจารณาทิสของการเคลื่อนที่ด้วย ความเร็ว (velocity) เพิ่มขึ้น ดังรูป

การเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงตามแนวราบ
สมการสำหรับคำนวณหาปริมาณต่าง ๆ การเคลื่อนที่แนวตรง ตามแนวราบ ด้วยความเร่งคงตัว

เมื่อ u เป็นความเร็วต้น เมื่อเริ่มคิดเวลา (t = 0 ) ขนาดของ u นี้อาจมีค่าเท่ากับศูนย์หรือไม่เท่ากับศูนย์ก็ได้ หน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)
t เป็นช่วงเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ทั้งหมด (กำหนดเวลาเริ่มต้นที่ t = 0 ) หน่วยเป็นวินาที (s)
S เป็นการกระจัดที่เปลี่ยนไปในช่วงเวลา หน่วยเป็นเมตร (m)
v เป็นความเร็วสุดท้ายของช่วงเวลา t หรือเป็นความเร็วเมื่อสิ้นช่วงเวลา t หน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)
a เป็นความเร่งเฉลี่ยในช่วงเวลา t หน่วยเป็นเมตรต่อวินาที 2 (m/s2)
กรณีวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัวในแนวราบกำหนดให้ปริมาณที่มีความเร็วเพิ่มขึ้นค่า a เป็นบวก และถ้าความเร็วลดลงค่า a เป็นลบ
กรณีวัตถุออกจากสภาพนิ่งค่า u = 0
กรณีวัตถุเคลื่อนที่แล้วหยุดค่า u = 0
กรณีวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวค่า a = 0

การคำนวณการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งภายใต้แรงดึงดูดของโลก (การตกอย่างอิสระ)

การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งภายใต้แรงดึงดูดของโลก หรือการตกอิสระ นี้ จะไม่คิดแรงต้านทานของอากาศ วิธีการคำนวณนั้นคิดเช่นเดียวกับการเคลื่อนที่ในแนวราบด้วยความเร่งคงที่ แต่ใช้สัญลักษณ์ เป็น g แทน a โดยมีสมการที่เกี่ยวข้องดังนี้

โดยมีหลักการพิจารณาเครื่องหมายดังนี้
1. ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ลง ค่า g เป็นบวก
2. ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ขึ้น ค่า g เป็นลบ
3. ถ้าวัตถุตกโดยอิสระ ค่า u = 0
4. วัตถุเคลื่อนที่ขึ้นไปได้สูงสุด ค่า v = 0
5. เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ขึ้นทั้งหมดกับเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ลงทั้งหมดเท่ากัน
6. ความเร็วขณะที่เคลื่อนที่ขึ้นและลงถ้าผ่านจุดเดียวกันจะมีความเร็วเท่ากัน
7. g = ความเร่งของสนามแรงโน้มถ่วงของโลก ( g = 9.81 m/s2 ? 10 m/s2)

การเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก หากสังเกตจะพบว่าวัตถุไม่ว่าจะมีมวลเท่าใด (ซึ่งหากมากพอแรงต้านของอากาศจะไม่มีผลกระทบมากนัก) จะตกลงสู่พื้นด้วยคงวามเร่งสม่ำเสมอ นั่นคือ ความเร่งมีค่าคงตัวและมีทิศลงในแนวดิ่งเสมอ ซึ่งการตกของวัตถุภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก คือ การตกอย่างเสรี (free fall) โดยการเคลื่อนที่ของวัตถุจะมีความเร่งคงที่เท่ากับความเร่งเนื่องจาก แรงโน้มถ่วงของโลก ซึ่งความเร่งนี้เป็นผลจากแรงดึงดูดของโลกเนื่องจากสนามโน้มถ่วง (gravity) ค่าความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก ( g ) ค่ามาตรฐานคือ 9.8065 m/s² เพื่อความสะดวกในการคำนวณจะใช้ 10 m/s²