แรงและความหมายของแรง

แรงและความหมายของแรง

แรง (Force) หมายถึง สิ่งที่ไปกระทำต่อวัตถุ แล้วทำให้วัตถุนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพของวัตถุ เช่น เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ เปลี่ยนขนาดของอัตราเร็ว หรือเปลี่ยนขนาด รูปร่างของวัตถุ
แรง มีหน่วย เป็น นิวตัน (N) (เป็นการให้เกียรติแก่เซอร์ไอแซค นิวตัน ผู้ค้นพบแรงโน้มถ่วงของโลก) แรง เป็น ปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งมีขนาดและทิศทาง

นอกจากนี้ นิวตันยังได้อธิบายเกี่ยวกับแรงไว้เป็น กฎต่างๆ 3 ข้อ คือ
กฎข้อ 1 “วัตถุจะรักษาสภาพอยู่นิ่งหรือสภาพเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง นอกจากจะมีแรงลัพธ์ที่ค่าไม่เป็นศูนย์
มากระทำ”
กฎข้อ 2 “เมื่อมีแรงลัพธ์ซึ่งมีขนาดไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุเกิดความเร่งในทิศเดียวกับ แรงลัพธ์ที่มากระทำและขนาดของความเร่งนี้จะแปลผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ์และแปลผกผันกับมวลของวัตถุ
กฎข้อ 3 “ทุกแรงกิริยาจะต้องมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงข้ามเสมอ”

ชนิดของแรง
แบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ
1. แรงในธรรมชาติ หมายถึง แรงที่เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ เราไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดจึงเกิดแรงเหล่านี้ขึ้น แต่เรารู้ว่ามีแรงเกิดขึ้นเพราะสามารถทดลองให้เห็นจริงได้
แรงในธรรมชาติจะแบ่งออกเป็นชนิดต่างๆได้ 4 แรง คือ
1.1 แรงโน้มถ่วงของโลก (Gravitation Force) เป็นแรงที่ใกล้ตัวเราที่สุด ทำให้เราไม่หลุดออกไปแล้วอยู่อย่างอิสระเหมือนอยู่ในอวกาศ นิวตัน อธิบายโดยใช้กฎแรงดึงดูดระหว่างมวล คือ “วัตถุ 2 วัตถุที่อยู่ห่างกันจะเกิดแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน โดยขนาดของแรงจะแปรผันตรงกับขนาดของมวลทั้ง 2 และแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างมวลทั้ง 2 ยกกำลังสอง ”
ความหมายของแรง

แรง หมายถึง อำนาจภายนอกที่สามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะได้

เช่นทำให้วัตถุที่อยู่นิ่งเคลื่อนที่ไป ทำให้วัตถุที่เคลื่อนที่อยู่แล้วเคลื่อนที่

เร็วหรือช้าลง ทำให้วัตถุมีการเปลี่ยนทิศตลอดจนทำให้วัตถุมีการเปลี่ยนขนาดหรือรูปทรงไปจากเดิมได ้แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่มีทั้งขนาดและทิศทางการรวมหรือหักล้างกันของแรงจึงต้องเป็นไปตามแบบเวกเตอร์

แรง (force) หมายถึง ปริมาณที่กระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุเปลี่ยนแปลงจากสภาพเดิม แรงนี้อาจจะสัมผัสกับวัตถุหรือไม่สัมผัสกับวัตถุก็ได้ แรงดึง แรงผลัก และแรงยก แรงพวกนี้กระทำบนพื้นผิวของวัตถุ แต่มีแรงบางชนิด เช่น แรงแม่เหล็ก แรงทางไฟฟ้า และแรงโน้มถ่วงจะไม่กระทำบนผิวของวัตถุ แต่กระทำกับเนื้อของวัตถุทุกตำแหน่ง เช่น น้ำหนักของวัตถุ ก็คือ แรงดึงดูดของโลกที่กระทำกับวัตถุโดยไม่ต้องสัมผัสกับผิวของวัตถุเลย แรงจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ เพราะมีทั้งขนาดและทิศทาง หน่วยของแรงในระบบเอสไอ คือ นิวตัน (N) เนื่องจากแรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ สัญลักษณ์ที่เขียนแทนแรง คือ

เวกเตอร์ของแรง
ปริมาณบางปริมาณที่ใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวันบอกเฉพาะขนาดเพียงอย่างเดียวก็ได้ความหมายสมบูรณ์แล้ว แต่บางปริมาณจะต้องบอกทั้งขนาดและทิศทางจึงจะได้ความหมายที่สมบูรณ์ ปริมาณในทางฟิสิกส์แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
1. ปริมาณสเกลาร์ (scalar quantity) คือ ปริมาณที่บอกแต่ขนาดอย่างเดียวก็ได้ความหมายที่สมบูรณ์ โดยไม่ต้องบอกทิศทาง เช่น เวลา ระยะทาง มวล พลังงาน งาน ปริมาตร ฯลฯ ในการหาผลลัพธ์ของปริมาณสเกลาร์ทำได้โดยอาศัยหลักทางพีชคณิต คือ ใช้วิธีการบวก ลบ คูณ หาร
2. ปริมาณเวกเตอร์ (vector quantity) คือ ปริมาณที่ต้องการบอกทั้งขนาดและทิศทางจึงจะได้ความหมายที่สมบูรณ์ เช่น ความเร็ว ความเร่ง การกระจัด โมเมนตัม แรง ฯลฯ

นิยามเชิงปริมาณ

ในแบบจำลองทางฟิสิกส์ เราใช้ระบบเป็นจุด กล่าวคือเราแทนวัตถุด้วยจุดหนึ่งมิติที่ศูนย์กลางมวลของมัน การเปลี่ยนแปลงเพียงชนิดเดียวที่เกิดขึ้นได้กับวัตถุก็คือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม (อัตราเร็ว) ของมัน ตั้งแต่มีการเสนอทฤษฎีอะตอมขึ้น ระบบทางฟิสิกส์ใดๆ จะถูกมองในวิชาฟิสิกส์ดั้งเดิมว่าประกอบขึ้นจากระบบเป็นจุดมากมายที่เรียกว่าอะตอมหรือโมเลกุล เพราะฉะนั้น แรงต่างๆ สามารถนิยามได้ว่าเป็นผลกระทบของมัน นั่นก็คือเป็นการเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ที่มันได้รับบนระบบเป็นจุด การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่นั้นสามารถระบุจำนวนได้โดยความเร่ง (อนุพันธ์ของความเร็ว) การค้นพบของไอแซก นิวตันที่ว่าแรงจะทำให้เกิดความเร่งโดยแปรผกผันกับปริมาณที่เรียกว่ามวล ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับอัตราเร็วของระบบ เรียกว่ากฎข้อที่สองของนิวตัน กฎนี้ทำให้เราสามารถทำนายผลกระทบของแรงต่อระบบเป็นจุดใดๆ ที่เราทราบมวล กฎนั้นมักจะเขียนดังนี้

F = dp/dt = d (m·v) /dt = m·a (ในกรณีที่ m ไม่ขึ้นกับ t)

เมื่อ

F คือแรง (ปริมาณเวกเตอร์)
p คือโมเมนตัม
t คือเวลา
v คือความเร็ว
m คือมวล และ
a=d²x/dt² คือความเร่ง อนุพันธ์อันดับสองของเวกเตอร์ตำแหน่ง x เมื่อเทียบกับ t

ถ้ามวล m วัดในหน่วยกิโลกรัม และความเร่ง a วัดในหน่วย เมตรต่อวินาทีกำลังสอง แล้วหน่วยของแรงคือ กิโลกรัม-เมตร/วินาทีกำลังสอง เราเรียกหน่วยนี้ว่า นิวตัน: 1 N = 1 kg x 1 m/s²

สมการนี้เป็นระบบของสมการอนุพันธ์อันดับสอง สามสมการ เทียบกับเวกเตอร์บอกตำแหน่งสามมิติ ซึ่งเป็นฟังก์ชันกับเวลา เราสามารถแก้สมการนี้ได้ถ้าเราทราบฟังก์ชัน F ของ x และอนุพันธ์ของมัน และถ้าเราทราบมวล m นอกจากนี้ก็ต้องทราบเงื่อนไขขอบเขต เช่นค่าของเวกเตอร์บอกตำแหน่ง และ x และความเร็ว v ที่เวลาเริ่มต้น t=0

สูตรนี้จะใช้ได้เมื่อทราบค่าเป็นตัวเลขของ F และ m เท่านั้น นิยามข้างต้นนั้นเป็นนิยามโดยปริยายซึ่งจะได้มาเมื่อ มีการกำหนดระบบอ้างอิง (น้ำหนึ่งลิตร) และแรงอ้างอิง (แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อมันที่ระดับความสูงของปารีส) ยอมรับกฎข้อที่สองของนิวตัน (เชื่อว่าสมมติฐานเป็นจริง) และวัดความเร่งที่เกิดจากแรงอ้างอิงกระทำต่อระบบอ้างอิง เราจะได้หน่วยของมวล (1 kg) และหน่วยของแรง (หน่วยเดิมเป็น 1 แรงกิโลกรัม = 9.81 N) เมื่อเสร็จสิ้น เราจะสามารถวัดแรงใดๆ โดยความเร่งที่มันก่อให้เกิดบนระบบอ้างอิง และวัดมวลของระบบใดๆ โดยการวัดความเร่งที่เกิดบนระบบนี้โดยแรงอ้างอิง

แรงมักจะไปรับการพิจารณาว่าเป็นปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ แต่ก็ยังมีปริมาณที่เป็นพื้นฐานกว่านั้นอีก เช่นโมเมนตัม (p = มวล m x ความเร่ง v) พลังงาน มีหน่วยเป็น จูล นั้นเป็นพื้นฐานน้อยกว่าแรงและโมเมนตัม เพราะมันนิยามขึ้นจากงาน และงานนิยามจากแรง ทฤษฎีพื้นฐานที่สุดในธรรมชาติ ทฤษฎีกลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไม่มีแนวคิดเรื่องแรงรวมอยู่ด้วยเลย

ถึงแม้แรงไม่ใช่ปริมาณที่เป็นพื้นฐานที่สุดในฟิสิกส์ มันก็เป็นแนวคิดพื้นฐานที่แรวคิดอื่นๆ เช่น งาน และ ความดัน (หน่วย ปาสกาล) นำไปใช้ แรงในบางครั้งใช้สับสนกับความเค้น

ตัวอย่างที่ 1 รถคันหนึ่งวิ่งด้วยความเร็ว 60  กิโลเมตรต่อชั่วโมงไปทางทิศเหนือ

60  คือ ขนาดของความเร็ว   นั่นคือการแสดงให้เห็นถึงการมีขนาด

ทิศเหนือ คือทิศของความเร็ว นั่นคือการแสดงให้เห็นถึงการมีทิศทาง

กิโลเมตรต่อชั่วโมง คือ หน่วยของความเร็ว

ดังนั้น ความเร็วจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์

ตัวอย่างที่ 2  ขณะนี้เป็นเวลา 8.00 น.

8.00  คือ ขนาดของเวลา  นั่นคือการแสดงให้เห็นถึงการมีขนาด แต่ไม่มีทิศทาง

น.     คือ หน่วยของเวลา

ดังนั้น เวลาจึงเป็นปริมาณสเกลาร์

 ตัวอย่างที่ 3 ปริมาณในทางฟิสิกส์ที่บอกให้ทราบว่าวัตถุมีความเฉื่อยมากหรือน้อยคือข้อใด

1. ความเร่ง 2. มวล            3.  แรง            4. น้ำหนัก

เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 2 เพราะปริมาณที่บอกให้ทราบว่าวัตถุมีความเฉื่อยมากหรือน้อยคือมวล

ตัวอย่างที่ 4   ปริมาณทางฟิสิกส์ถ้าจัดแบ่งโดยอาศัยทิศทางจะแบ่งได้เป็นปริมาณใดบ้าง

1. ปริมาณเวกเตอร์, ปริมาณสเกลาร์
2. ปริมาณเชิงคุณภาพ, ปริมาณเชิงปริมาณ
3. ปริมาณเชิงบรรยาย, ปริมาณเชิงคำนวณ
4. ปริมาณฐาน,ปริมาณอนุพัทธ์

เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ1 เพราะปริมาณทางฟิสิกส์ อาจจัดแบ่งโดยอาศัยทิศทางจะแบ่งได้ 2 ปริมาณ คือปริมาณเวกเตอร์ปริมาณสเกลาร์

ตัวอย่างที่ 5   ปริมาณในข้อใดต่อไปนี้เป็นปริมาณประเภทเดียวกันทั้งหมด

1. การกระจัด, ความเร็ว, เวลา
2. แรง, ความเร่ง,สนามไฟฟ้า
3. มวล, แรง, ความเร่ง
4. อัตราเร็ว, เวลา, โมเมตัม

เฉลย  คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ2 เพราะว่าจากโจทย์ต้องการหาในตัวเลือกในข้อใดเป็นปริมาณประเภทเดียวกัน โดย

ข้อ 1 การกระจัด,ความเร็วเป็นปริมาณเวกเตอร์ ส่วนเวลาเป็นปริมาณสเกลาร์ ดังนั้นข้อ 1 ผิด

ข้อ 2 แรง,ความเร่งและสนามไฟฟ้า เป็นปริมาณเวกเตอร์ทั้งหมด ดังนั้นข้อ 2 ถูก

ข้อ 3 มวลเป็นปริมาณสเกลาร์ส่วนแรง,ความเร่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ดังนั้นข้อ 3 ผิด

ข้อ 4 อัตราเร็ว,เวลาเป็นปริมาณสเกลาร์ ส่วนโมเมนตัมเป็นปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นข้อ 4 ผิด

ตัวอย่างที่ 6 ปริมาณในข้อใดเป็นปริมาณสเกลาร์ทั้งหมด

1. ความเร็ว, เวลา,การกระจัด 2. อัตราเร็ว,เวลา,ระยะทาง
2. ความดัน,ความเร่ง,ความหนาแน่น 4. สนามแม่เหล็ก,สนามไฟฟ้า,สนามความโน้มถ่วง

เฉลย  คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 2 โจทย์ต้องการหาตัวเลือกใดเป็นปริมาณสเกลาร์ทั้งหมดให้พิจารณาทีละตัวเลือก

ข้อ 1 เวลาเป็นปริมาณสเกลาร์ แต่ความเร็ว,การกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์  ดังนั้นข้อ 1 ผิด

ข้อ 2 อัตราเร็ว,เวลา,ระยะทาง ทุกปริมาณเป็นปริมาณสเกลาร์ทั้งหมด ดังนั้นข้อ 2 ถูก

ข้อ 3ความดัน,ความหนาแน่น   เป็นปริมาณสเกลาร์ แต่ความเร่งเป็นปริมาณเวกเตอร์  ดังนั้ข้อ 3 ผิด

ข้อ 4 สนามแม่เหล็ก,สนามไฟฟ้าและสนามความโน้มถ่วง ทุกปริมาณเป็นปริมาณเวกเตอร์ทั้งหมด ดังนั้นข้อ 4  ผิด

ตัวอย่างที่ 7 ปริมาณในข้อใดเป็นปริมาณเวกเตอร์ทั้งหมด

1. ความเร็ว, เวลา, การกระจัด
2. อัตราเร็ว, เวลา, ระยะทาง
3. ความดัน, ความเร่ง, ความหนาแน่น
4. การกระจัด, สนามไฟฟ้า, แรง

เฉลย  คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 4 โจทย์ต้องการหาตัวเลือกใดเป็นปริมาณเวกเตอร์ทั้งหมดให้พิจารณาทีละตัวเลือก

ข้อ 1 เวลาเป็นปริมาณสเกลาร์ แต่ความเร็ว,การกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์  ดังนั้นข้อ 1 ผิด

ข้อ 2 อัตราเร็ว,เวลา,ระยะทาง ทุกปริมาณเป็นปริมาณสเกลาร์ทั้งหมด ดังนั้นข้อ 2 ผิด

ข้อ 3 ความดัน,ความหนาแน่น   เป็นปริมาณสเกลาร์ แต่ความเร่งเป็นปริมาณเวกเตอร์  ดังนั้นข้อ 3 ผิด

ข้อ 4 การกระจัด,สนามไฟฟ้า, แรง ทุกปริมาณเป็นปริมาณเวกเตอร์ทั้งหมด ดังนั้นข้อ 4  ถูก

ตัวอย่างที่ 8 ข้อความใดต่อไปนี้เป็นปริมาสเกลาร์ และข้อใดเป็นปริมาณเวกเตอร์

8.1 เดินทางได้ระยะทาง 3 กิโลเมตร

เฉลย ปริมาณสเกลาร์ เพราะบอกแต่ขนาดไม่บอกทิศทาง

8.2 เดินทางตรงไป 3 กิโลเมตร ในทิศตะวันออก

เฉลย ปริมาณเวกเตอร์ เพราะบอกทั้งขนาดและทิศทาง

8.3 ลูกบอลเคลื่อนที่ไปใช้เวลา 30 วินาที

เฉลย ปริมาณสเกลาร์ เพราะบอกแต่ขนาดไม่บอกทิศทาง

8.4 ขับรถยนต์ด้วยอัตราเร็ว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

เฉลย ปริมาณสเกลาร์ เพราะบอกแต่ขนาดไม่บอกทิศทาง

8.5 ขับรถยนต์ด้วยความเร็ว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ไปในทิศใต้

เฉลย ปริมาณเวกเตอร์ เพราะบอกทั้งขนาดและทิศทาง

แหล่งที่มา

จรัญ  บุระตะ. (2555). ฟิสิกส์ เล่ม 1 ม. 4-6. กรุงเทพฯ:นิพนธ์.

สุธาธรรม  ชลบุรี และคณะ.(2537). ฟิสิกส์ เล่ม 1 ม. 4. กรุงเทพฯ:ภูมิบัณฑิต.

อนุสรณ์ แสนวงศ์.(มมป).  ปริมาณทางฟิสิกส์. สืบค้นเมื่อ 15 สิงหาคม 2562, จาก

-ขอบคุณแหล่งข้อมูล https://sites.google.com/site/reuxngraeng/niyam-cheing-priman

https://sites.google.com/site/anusorn2368/hnwy-thi-1/priman-thang-fisiks

https://www.scimath.org/