กลศาสตร์ (Mechanics)
กลศาสตร์ (Mechanics) เป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ที่ว่าด้วยพฤติกรรมของวัตถุทางกายภาพเมื่อถูกแรงกระทำหรือเมื่อมีการกระจัด กลศาสตร์มีรากฐานมาจากอารยธรรมกรีซโบราณ งานเขียนของอาริสโตเติล และอาร์คิมิดี นักวิทยาศาสตร์ในสมัยใหม่ตอนต้น เช่น โอมาร์ คัยยาม, กาลิเลโอ กาลิเลอี, โยฮันเนส เคปเลอร์, และโดยเฉพาะ ไอแซก นิวตัน เป็นผู้วางรากฐานกลศาสตร์ดั้งเดิม กลศาสตร์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ดั้งเดิมที่เกี่ยวข้องอนุภาคทั้งที่หยุดนิ่งและที่กำลังเคลื่อนที่ ด้วยความเร็วที่น้อยกว่าความเร็วแสง และเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุและแรงที่กระทำต่อวัตถุ ตั้งแต่วัตถุที่เล็ก เช่น อิเล็กตรอน ไปจนถึงวัตถุที่ใหญ่ เช่น กาแล็กซี กลศาสตร์สามารถแบ่งออกเป็นส่วนตามสิ่งที่พิจารณา ได้แก่
จลน์ศาสตร์ (Kinematics) เป็นวิชาที่บรรยายถึงลักษณะการเคลื่อนที่ โดยที่ไม่สนใจว่าอะไรเป็นสาเหตุของการ เคลื่อนที่ พิจารณาว่า วัตถุนั้นเคลื่อนที่อย่างไร จะอยู่ตำแหน่งใด เร็วเท่าไรพลศาสตร์ (Dynamics) ที่พิจารณาสาเหตุของการเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่
ปริมาณทางฟิสิกส์ แบ่งออกเป็น 2 พวกใหญ่ ๆ คือ
ปริมาณสเกลาร์ (Scalar quantity) คือ ปริมาณที่บอกแต่เพียงขนาดเอย่างเดียว เช่น มวล พื้นที่ อัตราเร็ว งาน กำลังงาน ฯลฯ
ปริมาณเวกเตอร์(Vector quantity) คือ ปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เช่น ความเร็ว ความเร่งแรง น้ำหนัก โมเมนตัม ฯลฯ
แรง มวล น้ำหนัก (Force, Mass, Weight)
แรง (Force) คือ สิ่งที่สามารถทำให้วัตถุที่อยู่นิ่งเคลื่อนที่ได้ หรือทำให้วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่มี ความเร็วมากขึ้น หรือช้าลง หรือสามารถเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุได้
มวล (Mass) คือ ปริมาณเนื้อสารที่รวมกันเป็นก้อนวัตถุ เป็นคุณสมบัติเฉพาะตัวของวัตถุสิ่งที่เกี่ยวกับ ความเฉื่อย คือ
- ถ้าวัตถุมีมวลมาก จะต้านการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่มาก หรือมีความเฉื่อยมาก
- ถ้าวัตถุมีมวลน้อย จะต้านการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่น้อย หรือมีความเฉื่อยน้อย มวลของวัตถุใด ๆ จะมีค่าคงที่เสมอ ไม่ว่าวัตถุจะอยู่ที่ตำแหน่งใดก็ตาม
น้ำหนัก (Weight) คือ แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ เมื่อชั่งวัตถุนั้นภายแรงดึงดูดของโลก น้ำหนัก ของวัตถุจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับขนาดของมวลสารของวัตถุ มวลสารของโลก และระยะทางที่วัตถุอยู่ห่าง จากศูนย์กลางของโลก นั่นคือ W = mg
เมื่อ W = น้ำหนักของวัตถุ (นิวตัน ; N)
. m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม ;kg)
. g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ช 9.81 (เมตร/วินาที2 ) ; (m/s2 )
จึงสามารถกล่าวได้ว่า น้ำหนักของวัตถุนั้นจะเปลี่ยนแปลงไปตามแรงโน้มถ่วง เช่น เมื่อนำวัตถุ ก้อนหนึ่งมีมวล 60 kg มาชั่งบนโลกจะหนัก W = 60 ×9.8 = 588 นิวตัน เมื่อนำมวลนี้ไปชั่งบนดวงจันทร์ จะหนัก W = 60 × 9.8 × 6 1 = 98 นิวตัน ( บนดวงจันทร์มีแรงโน้มถ่วงเพียง 1/6 เท่าของโลก)
ความหนาแน่น (Density) ความหนาแน่นของวัตถุใด ๆ
คือ มวลของวัตถุนั้นต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร มีหน่วยเป็นหน่วยมวลต่อ หน่วยปริมาตร นั้นคือ D = m/v
เมื่อ D = ความหนาแน่นของวัตถุใด ๆ (g/cm3 , kg/m3 )
. m = มวลของวัตถุ (g, kg)
. v = ปริมาตรของวัตถุ (cm3 , m 3 )
ข้อควรทราบ
- สารชนิดเดียวกันไม่ว่าจะมีขนาดใหญ่ หรือเล็กก็ตาม ความหนาแน่นของสารจะมีค่าคงที่เสมอ
- ความหนาแน่นของน้ำ มีค่า = 1 g/cm3 หรือ 1,000 kg/m3
- ในการคำนวณหาปริมาตรของวัตถุ สามารถกระทำได้ดังนี้
ถ้าวัตถุมีรูปทรงเรขาคณิต ให้คำนวณหาปริมาตรจากสูตรเรขาคณิต
– ถ้าวัตถุไม่มีรูปทรงเรขาคณิต ให้ใช้คุณสมบัติของการแทนที่น้ำ ตามหลักของอาร์คีมีดีสที่ กล่าวว่า “เมื่อหย่อนวัตถุลงไปในน้ำ ปริมาตรของน้ำที่ล้นออกมาจะเท่ากับปริมาตรของก้อนวัตถุนั้นเข้าไป แทนที่ในน้ำ” หรือ ปริมาตรของวัตถุที่จมน้ำ = ปริมาตรของน้ำที่ล้น
4. เราสามารถพิจารณาว่าด้วยวัตถุจะลอย หรือจมในของเหลวได้ดังนี้
– วัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว หรือจมในของเหลวนั้น
– วัตถุที่มีความหนาแน่นเท่ากับของเหลว จะลอยปริ่มของเหลวนั้น
– วัตถุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า จะลอยในของเหลวนั้น ความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) ความถ่วงจำเพาะ คืออัตราส่วนเปรียบเทียบระหว่างมวล หรือน้ำหนักของวัตถุ กับ มวล หรือ น้ำหนักของน้ำ เมื่อมีปริมาตรเท่ากัน หรือ ตัวเลขที่แสดงให้ทราบว่า วัตถุนั้นมีความหนาแน่นเป็นกี่เท่าของ ความหนาแน่นของน้ำ ซึ่งความถ่วงจำเพาะจะไม่มีหน่วย นั่นคือ S = D/d
เมื่อ S = ความถ่วงจำเพาะของวัตถุ
. D = ความหนาแน่นของวัตถุ (g/cm3 , kg/m3 )
. d = ความหนาแน่นของน้ำ (g/cm3 , kg/m3 )
เราสามารถพิจารณาความแตกต่างระหว่างความถ่วงจำเพาะ และความหนาแน่น ได้ดังนี้ ความถ่วงจำเพาะ (S)
1. เป็นตัวเลขที่แสดงว่าสารนั้นหนักเป็นกี่เท่าของน้ำ เมื่อปริมาตรเท่ากัน
2. ความถ่วงจำเพาะของสารหนึ่ง จะคงเดิมเสมอไม่ว่าจะใช้ระบบหน่วยเปลี่ยนไป
3. ความถ่วงจำเพาะไม่มีหน่วย
ความหนาแน่น (D)
1. เป็นมวลของสารใน 1 หน่วยปริมาตร
2. ความหนาแน่นของสารหนึ่งจะมีค่าเปลี่ยนไป เมื่อใช้ระบบหน่วยที่ต่างกัน
3. ความหนาแน่นมีหน่วย (g/cm3 , kg/m3 )
ข้อควรทราบ เครื่องมือที่ใช้วัดค่าความถ่วงจำเพาะของของเหลวคือ ไฮโดรมิเตอร์ (Hydrometer)
การขจัด อัตราเร็ว ความเร็ว ความเร่ง
การขจัด (Displacement) คือ ปริมาณที่บอกทั้งขนาดและทิศทางของการย้ายตำแหน่ง จากจุด หนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในแนวเส้นตรง เป็นปริมาณเวกเตอร์
อัตราเร็ว (Speed) คือ ระยะทางทีวัตถุเคลื่อนที่ไปได้จริง ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณสเกลาร์
ความเร็ว (Velocity) คือ การขจัดของวัตถุในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์
ความเร่ง (Acceleration) คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของความเร็วของวัตถุ ในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวคเตอร์
งาน กำลัง และพลังงาน
งาน (Work) คือ ผลของการออกแรงกระทำต่อวัตถุ แล้ววัตถุเคลื่อนที่ได้ระยะทางตามแนวทาง ฉะนั้น ค่าของงาน คือ ผลคูณของแรงกับระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ตามแนวแรงนั้น จะได้ว่า
-ถ้า F และ s อยู่ในแนวเดียวกัน จะได้ W = F × s
-ถ้า F และ s อยู่คนละแนว จะได้ W = F × s× cos q
เมื่อ W = งาน (นิวตัน เมตร ; N · m หรือ จูล ; J)
. F = แรงที่กระทำต่อวัตถุ (นิวตัน ; N)
. s = ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ตามแนวแรง (เมตร ; m)
. q = มุมที่แรงกระทำกับแนวระดับ
ข้อควรทราบ
1. งานเป็นบวก คือ งานอันเกี่ยวเนื่องมาจากที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ ได้แก่ งานเนื่องจากแรงที่เรา ให้แก่วัตถุ
2. งานเป็นลบ คือ งานอันเนื่องมาจากแรงต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ ได้แก่ งานเนื่องจากแรงเสียดทาน
3. งานจะไม่เกิดขึ้น เมื่อ – แรงเท่ากับศูนย์ – ระยะทางเท่ากับศูนย์ – แรงตั้งฉากกับระยะทาง
กำลัง (Power) คือ อัตราการทำงาน หรืองานที่ทำได้ใน 1 หน่วยเวลา นั่นคือ P = W/t หรือ P = F ´ s/t = F × v
เมื่อ P = กำลัง (วัตต์ ; Watt)
. W = งานที่ทำได้ (นิวตันเมตร ; N · m หรือ จูล ; J)
. t = เวลาที่ทำงาน (วินาที ; s)
. v = อัตราเร็ว (เมตร / วินาที ; m/s)
. s = ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ (เมตร ; m)
ข้อควรทราบ 1 กำลังม้า = 746 วัตต์ = 550 ฟุต ปอนด์/วินาที
แรงเสียดทาน (Frictional Force)
แรงเสียดทาน คือ แรงที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุซึ่งพยายามต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุ ในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ เราสามารถแบ่งแรงเสียดทานออกได้เป็น 2 แบบดังนี้
1. แรงเสียดทานสถิต (Static Friction ; fs ) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในสภาวะที่วัตถุได้รับแรง กระทำแล้วหยุดนิ่งจนถึงวัตถุที่หยุดนิ่งเตรียมที่จะเคลื่อนที่ นั่นคือ
– ถ้า F < fs หรือ F < m sN แรงเสียดทานขณะนั้น f = F วัตถุจะหยุดนิ่ง
– ถ้า F = fs หรือ F = m sN แรงเสียดทานขณะนั้น f = m sN วัตถุหยุดนิ่งเตรียมที่จะเคลื่อนที่
เมื่อ F = แรงที่ใช้ (นิวตัน ; N)
. f s = แรงเสียดทานสถิต
. m s = สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิต
. N = แรงปฏิกิริยาแนวตั้งฉากกับแรงเสียดทาน
2. แรงเสียดทานจลน์ (Kinetic Friction ; fk ) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในสภาวะที่วัตถุกำลัง เคลื่อนที่ นั่นคือ F > m sN แรงเสียดทานขณะนั้น f = m kN วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง
เมื่อ m k = สัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์
สรุปได้ว่า f = m N
เมื่อ f = แรงเสียดทาน
. m = สัมประสิทธิ์ของความเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส
. N = แรงที่กระทำตั้งฉากกับผิวสัมผัส
คุณสมบัติของแรงเสียดทาน
- แรงเสียดทานจะต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุ และมีทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ
- แรงเสียดทานจะไม่ขึ้นกับขนาด หรือ พื้นที่สัมผัสระหว่างวัตถุกับพื้น
- แรงเสียดทานขึ้นอยู่กับชนิดของผิวสัมผัส โดยที่ผิวหยาบ หรือ ผิวขรุขระจะมีแรงเสียดทาน มากกว่าผิวลื่น
- แรงเสียดทานขณะเริ่มต้นจะมากกว่าแรงเสียดทานขณะเคลื่อนที่
- แรงเสียดทานจะขึ้นอยู่กับน้ำหนักของวัตถุที่กดพื้น หรือแรงตอบโต้จากพื้น
แรงเสียดทานจะเป็นที่คอยต่อต้านการเคลื่อนที่ เราสามารถลดแรงเสียดทานให้น้อยลง ได้โดย
- ใช้ล้อ และตลับลูกปืน
- เลือกใช้ผิวสัมผัสที่ลื่น หรือ ขรุขระน้อย
- ใช้น้ำมันหล่อลื่น โดยน้ำมันหล่อลื่นจะทำให้เกิดแผ่นฟิล์มบาง ๆ ระหว่างผิวหน้าสัมผัส จึงช่วย ลดแรงเสียดทานได้
พลังงาน (Energy)
คือ สิ่งที่ไม่มีตัวตนแต่สามารถทำงานได้ สามารถพิจารณาได้ดังนี้
พลังงานศักย์ (Potential Energy) คือ พลังงานที่วัตถุมีอยู่ หรือสะสมอยู่ในวัตถุและพร้อมที่จะ ทำงานได้ มี 2 ชนิด คือ
1. พลังงานศักย์โน้มถ่วง (Gravitational Potential Energy) คือ พลังงานที่วัตถุมีอยู่เนื่องจาก ระดับ ความสูงของมัน ค่าพลังงานหาได้จากงานที่วัตถุทำได้ในการเปลี่ยนตำแหน่งจากที่อยู่เดิมมายังตำแหน่งที่ อ้างอิง นั่นคือ P.E. = mgh
เมื่อ P.E. = พลังงานศักย์ ( จูล ; J)
. m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม ; kg)
. g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกมีค่า 9.8 เมตร / วินาที2 ; (m/s2 )
. h = ระดับความสูงของวัตถุที่อยู่เหนือตำแหน่งอ้างอิง ( เมตร ; m)
2. พลังงานศักย์ยืดหยุ่น (Elastic Potential energy) คือ พลังงานที่วัตถุมีอยู่เนื่องจากวัตถุมีการ ยืดหยุ่น เช่น สปริงที่ถูกกด เมื่อปล่อยออกก็จะเกิดการท างานได้ นั่นคือ Ep = 1/2kx^2
เมื่อ EP = พลังงานศักย์ยืดหยุ่น
. k = ค่านิจของสปริง หรือ แรงที่ทำให้สปริงยืดหรือหดหนึ่งหน่วย
. x = ระยะยืดหรือหดของสปริง จากสภาพปกติ (เมตร ; m)
พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) คือ พลังงานที่วัตถุมีอยู่เนื่องจากอัตราเร็วของมัน ค่าพลังงาน จลน์หาได้จาก งานที่ใช้ต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุจนกระทั่งหยุดนิ่ง นั่นคือ K.E. = 1/2mv^2
เมื่อ K.E. = พลังงานจลน์ (จลน์ ; J)
. m = มวลของวัตถุที่เคลื่อนที่ (kg) v = ความเร็วของวัตถุ (m/s)
โมเมนต์ (Moment)
คือ ผลคูณของแรงกับระยะทางตั ้งฉากจากจุดหมุนไปถึงแนวแรง นั่นคือ
โมเมนต์ = แรง × ระยะทางตั ้งฉากจากจุดหมุนไปถึงแนวแรง
หรือ M = F × d เมื่อ M = โมเมนต์ (นิวตัน-เมตร ; (N · m)
. F = แรง (นิวตัน; N)
. d = ระยะทางตั ้งฉากจากจุดหมุนไปถึงแนวแรง (เมตร ; m)
โมเมนต์สามารถแบ่งได้เป็น
– โมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา คือ คา่ โมเมนต์ที่เกิดจากแรงซงึ่ กระท าตอ่ คานให้หมนุ ไปในทิศทางตาม
เข็มนาฬิกา
– โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา คือ คา่ โมเมนต์ที่เกิดจากแรงซงึ่ กระท าตอ่ คานให้หมนุ ไปในทิศทางทวน
เข็มนาฬิกา
เมื่อคานอยู่ในสภาวะสมดุล จะได้ว่า “ผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา เทา่ กบั ผลรวมของ
โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา”
ที่มา ————--> www.cmcadet.com
ตามข่าวสารข้อมูลเพิ่มเติมๆด้ที่ ————--> www.facebook.com/
