สาระสำคัญ

ตอนที่ 1
          1. แรงสามารถเปลี่ยนรูปร่างและขนาดของวัตถุ แต่ไม่สามารถเปลี่ยนมวลสารของวัตถุ แรงสามารถเคลื่อนย้ายวัตถุหรือทำให้วัตถุหยุดนิ่ง แรงสามารถเปลี่ยนความเร็วของวัตถุ และเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุได้ ตัวอย่างการออกแรงในชีวิตประจำวัน เช่น ยกสิ่งของ บีบมะนาว ดึงยางรัด หรือดันรถเข็น
          2. เครื่องชั่งสปริงเป็นเครื่องมือพื้นฐานสำหรับวัดแรงในระบบเอสไอ (SI Unit) แรงมีหน่วยเป็นนิวตัน (Newton: N)
          3. แรงโน้มถ่วงของโลกเป็นแรงที่เกิดจากโลกออกแรงดึงดูดวัตถุต่าง ๆ ให้ไปยังจุดศูนย์กลางของโลก โดยที่แรงนี้จะกระทำต่อวัตถุต่าง ๆ อยู่ตลอดเวลา
          4. น้ำหนัก คือ แรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อวัตถุหรือเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของวัตถุและโลก
          5. แรงแม่เหล็ก คือ แรงที่เกิดจากสารแม่เหล็กดึงดูดวัตถุที่มีสมบัติเป็นแม่เหล็ก

ตอนที่ 2
          1. การอธิบายตำแหน่งของวัตถุนิยมอธิบายด้วยการเปรียบเทียบตำแหน่งที่วัตถุอยู่กับจุดอ้างอิงเสมอ และการบอกตำแหน่งใหม่ของวัตถุนิยมบอกตำแหน่งของวัตถุและการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุ
          2. ระยะทางเป็นระยะไกลหรือใกล้ที่เราเดินทาง โดยมีการเปลี่ยนตำแหน่งบนเส้นทางขณะเคลื่อนที่ หรือระยะทางเป็นระยะที่วัตถุเคลื่อนที่ได้จริงตามเส้นทางทั้งหมด เป็นปริมาณสเกลาร์ มีแต่ขนาดอย่างเดียวมีหน่วยเป็นเมตร (metre: m)
          3. การกระจัดเป็นระยะห่างจากตำแหน่งเริ่มต้นถึงตำแหน่งสุดท้าย เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีทั้งขนาดและทิศทาง
          4. อัตราเร็ว คือ อัตราส่วนระหว่างระยะทางที่เคลื่อนที่กับเวลาที่ใช้
          5. ความเร็ว คือ อัตราส่วนระหว่างการกระจัดกับเวลาที่ใช้
          6. อัตราเร็วเฉลี่ย คือ อัตราส่วนระหว่างระยะทางที่เคลื่อนที่กับเวลาที่ใช้
          7. ความเร็วเฉลี่ย คือ อัตราส่วนระหว่างการกระจัดกับเวลาที่ใช้
          8. ความเร็วสัมพัทธ์เป็นความเร็วของวัตถุที่กำหนดจากจุดหรือกรอบอ้างอิงของวัตถุอื่น

แรงและการเคลื่อนที่

ตอนที่ 1 แรง

แรงรอบตัว
          ความหมายของแรง
                    การออกแรงเป็นการกระทำต่าง ๆ เช่น การยก การดึง การยืด การงอ การบิด การบีบ การคั้น การรีด หรือการเข็น แล้วทำให้เกิดการดึงหรือการดันวัตถุ





ขนาดและทิศทางของแรง
          แรง (force) หมายถึง สิ่งที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนแปลงลักษณะหรือสภาพการเคลื่อนที่ เช่น ทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่ หรือทำให้วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่มีความเร็วเพิ่มขึ้น ช้าลง หยุดนิ่ง รวมทั้งยังทำให้วัตถุเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ เนื่องจากแรงเป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง




          ปริมาณทางวิทยาศาสตร์จำแนกออกได้เป็น 2 ประเภท คือ

                    ปริมาณสเกลาร์ (scalar quantity) เป็นปริมาณที่มีแต่ขนาดอย่างเดียว เช่น ความยาว มวล อุณหภูมิ เวลา ปริมาตร พลังงาน ระยะทาง และความหนาแน่น

                    ปริมาณเวกเตอร์ (vector quantity) เป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เช่น การกระจัด ความเร็ว ความเร่ง แรง น้ำหนัก โมเมนต์ และโมเมนตัม การบอกค่าของปริมาณเวกเตอร์ต้องบอกทั้งขนาดและทิศทาง

          เราสามารถเขียนแผนภาพแสดงแรงได้โดยใช้เส้นตรงที่มีลูกศรแสดงทิศทางของแรงที่กระทำได้ โดยปกติแล้วแรงมีมากกว่า 1 แรงที่กระทำกับ วัตถุชิ้นหนึ่งวางอยู่บนโต๊ะ วัตถุนั้นจะมีแรงดึงลงด้านล่าง โดยน้ำหนัก (W) และมีแรงดันขึ้นข้างบนซึ่งเป็นแรงอันเนื่องมาจากโต๊ะกระทำกับวัตถุ (R)

          เมื่อพิจารณาวัตถุขณะหยุดนิ่งอยู่กับที่ แรงทั้งสองนี้จะสมดุลกัน นั่นคือ 
                    แรงอันเนื่องมาจากโต๊ะที่กระทำกับวัตถุ (R) = น้ำหนักของวัตถุ (W)

ผลที่เกิดจากแรง




          การทำให้วัตถุเปลี่ยนทิศทาง หรือเปลี่ยนความเร็ว หรือหยุดนิ่งอยู่กับที่ เราสามารถสังเกตเห็นผลที่เกิดจากแรงได้ แต่หากเราไม่สามารถสังเกตเห็นผลที่เกิดจากแรงแล้ว เราก็ยังสรุปไม่ได้ว่าไม่มีแรงกระทำต่อวัตถุนั้น

สมดุลแรง
          วัตถุต่าง ๆ เมื่อมีแรงมากระทำมากมาย แต่วัตถุยังอยู่นิ่งอยู่กับที่เรียกว่า เกิดสมดุลของแรง




          แรงร่วมกัน โดยปกติเมื่อเราออกแรงดึงวัตถุไปกับพื้นจะมีแรงหลายแรงมากระทำต่อวัตถุ

การวัดแรง
          นักวิทยาศาสตร์จึงนำความสามารถในการยืดและหดตัวของสปริงมาประดิษฐ์เป็นเครื่องมือวัดแรง ได้แก่ เครื่องชั่งสปริง ซึ่งประกอบด้วยสปริงอยู่ภายใน โดยมีจุดคงที่ติดตรึงไว้กับตัวสปริง หน่วยที่ใช้วัดแรง คือ นิวตัน (Newton: N) ซึ่งเป็นหน่วยการวัดในระบบ SI
          การวัดแรง: ใช้สมบัติการยืดตัวของขดลวดสปริง
                  ขดลวดสปริงก็จะยืดตัวออกได้ระยะที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของตุ้มน้ำหนัก สมบัตินี้นำมาใช้ประดิษฐ์เครื่องชั่งสปริงแบบแขวน

ประเภทของแรง
          แรงดึงดูดของโลก (earth’s gravity) เกิดจากโลกออกแรงดึงดูดวัตถุต่าง ๆ ให้ไปยังจุดศูนย์กลางของโลก โดยที่แรงนี้จะกระทำต่อวัตถุต่าง ๆ อยู่ตลอดเวลา วัตถุต่าง ๆ จะตกสู่พื้นดินทั้งสิ้น




          น้ำหนัก (weight) เป็นแรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อวัตถุหรือเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของวัตถุกับโลก เมื่อกล่าวถึงน้ำหนักก็จะต้องกล่าวถึงมวล เพราะมวลและน้ำหนักไม่ใช่สิ่งเดียวกัน โดยมวล คือ ปริมาณเนื้อของวัตถุซึ่งมีค่าคงตัว




          ถ้าวัตถุมีมวลมาก โลกก็จะออกแรงดึงดูดวัตถุนั้นมากด้วย วัตถุก็จะมีน้ำหนักมากตามไปด้วย ในทำนองเดียวกันถ้าวัตถุมีมวลน้อย
          กรณีของดวงจันทร์ที่มีมวลน้อยกว่าโลก คือ มีแรงดึงดูดเป็น 1/6 ของโลก ดังนั้นวัตถุบนโลกเมื่อนำไปชั่งบนดวงจันทร์จะหนักเป็น 1/6 เท่า ของน้ำหนักที่ชั่งบนโลก

แรงแม่เหล็ก
          แม่เหล็กสามารถดูดวัตถุที่มีสมบัติของแม่เหล็ก ได้แก่ สิ่งของที่ทำจากเหล็กและโลหะได้ รวมทั้งยังสามารถออกแรงดันแม่เหล็กแท่งอื่นให้เคลื่อนที่ไปยังทิศทางหรือตำแหน่งที่ต้องการได้ นั่นแสดงว่ามี แรงแม่เหล็ก (magnetic force) กระทำต่อกัน
          แม่เหล็ก 2 แท่งจะออกแรงผลักกัน ถ้าเราหันขั้วที่เหมือนกันของแม่เหล็กเข้าหากัน และแม่เหล็ก 2 แท่งจะออกแรงดึงดูดกัน เมื่อเราหันขั้วที่ต่างกันของแม่เหล็กเข้าหากัน







          แรงแม่เหล็กสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากมาย เช่น ในโรงงานอุตสาหกรรมเหล็กใช้แรงแม่เหล็กในการยกและขนส่งชิ้นส่วนหรือวัสดุที่เป็นเหล็ก ในขอบประตูตู้เย็น การประดิษฐ์เข็มทิศ โดยอาศัยแรงแม่เหล็กของโลกดึงดูดเข็มทิศนั่นเอง




ตอนที่ 2 การเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่ของวัตถุ
          การเคลื่อนที่ของวัตถุเป็นการเลื่อนจากตำแหน่งเดิมไปยังตำแหน่งใหม่ ซึ่งระยะทางของการเคลื่อนที่วัดได้จนถึงตำแหน่งสุดท้าย

ตำแหน่งของวัตถุ
          เมื่อวัตถุมีการเคลื่อนที่หรือเปลี่ยนตำแหน่ง เราจะต้องมีวิธีในการบอกตำแหน่งใหม่ของวัตถุให้ถูกต้องและชัดเจนซึ่งสามารถกระทำได้ดังนี้
                    1. การบอกตำแหน่งของวัตถุ เราจะต้องกำหนดจุดอ้างอิงและบอกตำแหน่งของวัตถุโดยระบุระยะห่างและทิศทางของวัตถุเทียบกับจุดอ้างอิง ซึ่งจุดอ้างอิงควรจะเป็นจุดที่อยู่นิ่ง อยู่ไม่ไกลจากวัตถุและสังเกตได้ชัดเจน เช่น ต้นไม้ แม่น้ำ อาคาร สะพาน หรือหลักกิโลเมตร
                    2. การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุ เมื่อวัตถุมีการเปลี่ยนตำแหน่ง ระยะที่วัดได้จริงตามการเคลื่อนที่ของวัตถุกับระยะทางที่วัดในแนวตรงจากตำแหน่งเริ่มต้นถึงตำแหน่งสุดท้าย




          ในสภาพความเป็นจริงเมื่อวัตถุเคลื่อนที่จะมีปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ เช่น ระยะทาง เวลา และการกระจัด

ระยะทาง
          ระยะทาง (distance) คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้จริงตามเส้นทางทั้งหมด เป็นปริมาณสเกลาร์ มีแต่ขนาดอย่างเดียว ในทางวิทยาศาสตร์ใช้หน่วยของ SI คือ เมตร (metre: m)




          การกระจัด (displacement) เป็นปริมาณเวกเตอร์ที่มีขนาดเท่ากับระยะทางในแนวตรงจากตำแหน่งเริ่มต้นถึงตำแหน่งสุดท้าย และมีทิศทางจากตำแหน่งเริ่มต้นถึงตำแหน่งสุดท้าย

อัตราเร็วและความเร็วของวัตถุ
          อัตราเร็ว (speed) เป็นระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ๆ โดยในการเคลื่อนที่แต่ละครั้งวัตถุไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่เสมอไป ถ้าเรานำความหมายของอัตราเร็วมาเขียนสมการจะได้ว่า

                    อัตราเร็ว     =     ระยะทางที่เคลื่อนที่ / เวลาที่ใช้
          หรือ               v     =      s / t                   ………………………………. (1)      

          เมื่อกำหนดให้     v   =     อัตราเร็ว
                                  s   =     ระยะทางที่เคลื่อนที่ได้
                                  t    =     เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่

          สรุปได้ว่า อัตราเร็ว คือ อัตราส่วนระหว่างระยะทางที่เคลื่อนที่ได้กับเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่

อัตราเร็วเฉลี่ย
          การคำนวณหาอัตราเร็วเฉลี่ยหาได้จากสมการต่อไปนี้

                    อัตราเร็ว    =     ระยะทางที่เคลื่อนที่ / เวลาที่ใช้
          หรือ             v‾    =     s / t        ………………………………. (2)

          เมื่อกำหนดให้     v‾ =     อัตราเร็วเฉลี่ย (“-” ที่อยู่บนตัว v อ่านว่า “บาร์” เป็นสัญลักษณ์แทนคำว่าเฉลี่ย)
                                  s   =     ระยะทางที่เคลื่อนที่ได้
                                  t    =     เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่

ความเร็ว
          ความเร็ว (velocity) คือ อัตราส่วนระหว่างการกระจัดกับเวลาที่ใช้ ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการแสดงความสัมพันธ์ได้ดังนี้

                    ความเร็ว     =     การกระจัด / เวลาที่ใช้   ............................... (3)

          การเคลื่อนที่ของวัตถุตลอดเส้นทางอาจเปลี่ยนแปลงความเร็วตลอดเวลา ดังนั้นจึงนิยมบอกค่าความเร็วในรูปของความเร็วเฉลี่ย ซึ่งสามารถเขียนสมการการคำนวณความเร็วเฉลี่ยได้ดังนี้

                    ความเร็วเฉลี่ย     =     การกระจัด / เวลาที่ใช้ ............................... (4)
                  

          ความเร็วเฉลี่ยนั้นจะมีความแตกต่างจากอัตราเร็วเฉลี่ย ซึ่งสามารถแสดงได้ดังตัวอย่างต่อไปนี้
          จากการคำนวณพบว่า ความเร็วเฉลี่ยมีค่าไม่เท่าอัตราเร็วเฉลี่ย เนื่องจากการกระจัดคำนึงถึงทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุด้วย ดังนั้นทิศทางจึงมีผลต่อการคำนวณความเร็วเฉลี่ย
            ขณะที่นักเรียนนั่งรถที่กำลังวิ่งอยู่บนท้องถนน เมื่อมองออกไปนอกหน้าต่างจะมีความรู้สึกว่ารถที่เรานั่งอยู่กำลังเคลื่อนที่ถอยหลัง แต่ในความเป็นจริงแล้ว รถกำลังเคลื่อนที่ไปข้างหน้า เหตุการณ์ดังกล่าวนี้เป็นตัวอย่างของ ความเร็วสัมพัทธ์ ซึ่งเป็นความเร็วของวัตถุที่กำหนดจากจุดหรือกรอบอ้างอิงของวัตถุอื่น โดยปกติเราใช้โลกของเราเป็นกรอบอ้างอิงในการอธิบายการเคลื่อนที่



แหล่งที่มาของเนื้อหา : สำนักพิมพ์วัฒนาพานิช www.wpp.co.th