แรงและการเคลื่อนที่-ฟิสิกส์ ม.ปลาย

ผลของแรงลัพธ์กระทำต่อวัตถุ

แรงและการเคลื่อนที่

ในแต่ละวันมนุษย์ต้องใช้แรงเพื่อทำกิจกรรมต่างๆ มากมาย เช่นการเคลื่อนย้ายวัตถุ สิ่งจองเครื่องใช้ต่าง ๆ เป็นต้น   ถ้าสิ่งของนั้นหนักและมีขนาดใหญ่มาก  ก็ต้องออกแรงมากหรืออาจใช้แรงจากแหล่งต่างๆ มาช่วยในการผ่อนแรง

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