เกรด 7 · แรง
ความยืดหยุ่นและแรงลัพธ์
การเปลี่ยนรูป กฎของฮุค เครื่องวัดแรง และการรวมแรงตามแนวเส้นตรง
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
แขวนก้อนมวลกับสปริง สปริงจะยืดแล้วหยุดที่ความยาวใหม่ ทำไมจึงไม่ยืดต่อไปไม่สิ้นสุด? และเราจะใช้ระยะยืดหาแรงได้อย่างไร ในเมื่อโลกก็ออกแรงต่อก้อนมวลพร้อมกัน?
การเปลี่ยนรูปร่าง
ลองบีบลูกบอลยาง แล้วลองดัดลวดอ่อน จากนั้นปล่อย ลูกบอลมักคืนรูป แต่ลวดอาจยังงออยู่ การเปลี่ยนรูปร่างหรือขนาดของวัตถุเรียกว่าการเปลี่ยนรูป หากการเปลี่ยนแปลงหายไปเมื่อเอาแรงกระทำออก จะเป็นการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น ส่วนที่ยังคงอยู่เป็นการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกหรือแบบถาวร วัตถุจริงอาจเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นในตอนแรก แล้วมีการเปลี่ยนรูปถาวรเมื่อรับแรงมากขึ้น
ระยะยืดวัดอะไร?
สปริงมีความยาวเดิม l₀ และหลังยืดมีความยาว l การตอบสนองขึ้นกับความยาวทั้งหมดหรือส่วนที่เปลี่ยนไป? สิ่งที่สำคัญคือระยะยืด Δl = l − l₀ ซึ่งวัดเป็นเมตร แรงคืนรูปยืดหยุ่นมีทิศลดการเปลี่ยนรูป สปริงที่ยืดจึงดึงปลายทั้งสองเข้าหากัน ในสภาพเดิมที่ยังไม่เปลี่ยนรูป Δl = 0 แต่ความยาวทั้งหมดไม่ได้เป็นศูนย์ จึงใช้ความยาวทั้งหมดแทนระยะยืดไม่ได้
สปริงเดิม รับแรงต่างกัน
เพิ่มก้อนมวลเล็ก ๆ ให้สปริงเดิม จะพบว่าในช่วงหนึ่ง เมื่อเพิ่มแรงเป็นสองเท่า ระยะยืดก็เป็นสองเท่า เพื่อเปรียบเทียบสปริง เรานิยามค่าคงตัวของสปริง k เป็นอัตราส่วนแรงคืนรูปต่อระยะยืดในช่วงเชิงเส้นนี้ หน่วยคือนิวตันต่อเมตร สปริงที่แข็งกว่าต้องใช้แรงมากกว่าเพื่อยืดเท่ากัน และเมื่อรับแรงเท่ากันจะยืดน้อยกว่า ค่านี้เป็นสมบัติของสปริงทั้งชิ้น รวมทั้งวัสดุและโครงสร้าง
กฎของฮุคสำหรับขนาดของแรง
เขียนความเป็นสัดส่วนที่สังเกตได้เป็น Fупр = kΔl นี่คือกฎของฮุคสำหรับขนาดแรงขณะยืดในช่วงยืดหยุ่นเชิงเส้น เมื่อนำ k ในหน่วยนิวตันต่อเมตรคูณกับ Δl ในหน่วยเมตร จะได้แรงเป็นนิวตัน ในช่วงนี้ระยะยืดสองเท่าให้แรงสองเท่า และเมื่อไม่เปลี่ยนรูป แรงเป็นศูนย์ แต่จะต่อความสัมพันธ์เส้นตรงนี้ไปถึงแรงทุกขนาดไม่ได้ แม้สปริงคืนรูปได้ก็ยังไม่ได้รับประกันว่าแรงแปรผันตรงกับระยะยืด
เครื่องวัดแรงทำงานอย่างไร
ถ้าแรงเท่าเดิมทำให้สปริงยืดเท่าเดิมทุกครั้ง เราใช้สปริงเป็นเครื่องวัดได้ เริ่มจากใช้แรงที่รู้ค่าแล้วทำเครื่องหมายตำแหน่งตัวชี้เป็นนิวตัน จากนั้นจึงเทียบแรงที่ไม่รู้ค่ากับเครื่องหมายเหล่านั้น นี่คือหลักการของเครื่องวัดแรงแบบสปริง ก่อนอ่านค่าต้องตรวจศูนย์และรอให้ค่าคงที่ หากเกินพิสัยการวัด สปริงอาจเปลี่ยนรูปถาวรและสเกลเดิมจะไม่ถูกต้องอีก
พิจารณาแรงทั้งหมด
ก้อนมวลที่แขวนกับสปริงรับแรงโน้มถ่วงลงและแรงสปริงขึ้น ผลร่วมของแรงเหล่านี้เป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนการเคลื่อนที่ แรงลัพธ์ R คือผลรวมเวกเตอร์ของแรงที่กระทำต่อวัตถุที่เลือกหนึ่งชิ้น มีหน่วยเป็นนิวตัน ในที่นี้เราใช้แบบจำลองอนุภาคจุดโดยไม่นำขนาดและการหมุนมาพิจารณา หรือพิจารณาแรงตามแนวเดียวกัน จะรวมแรงที่กระทำต่อคนละวัตถุด้วยวิธีนี้ไม่ได้ เพราะแรงเหล่านั้นเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของวัตถุคนละชิ้น
แรงทิศเดียวกัน
คนสองคนดึงรถเข็นคันเดียวกันตามแนวเดียวและทิศเดียวด้วยแรง 2 นิวตันกับ 3 นิวตัน แรงทั้งสองเสริมกัน: R = F₁ + F₂ = 5 Н และทิศยังเหมือนเดิม ถ้าแรงหนึ่งเป็นศูนย์ก็เหลืออีกแรงหนึ่ง หากเพิ่มทั้งคู่เป็นสองเท่า ผลก็เป็นสองเท่า การบวกขนาดเช่นนี้ใช้เมื่อทิศตรงกันเท่านั้น ถ้าแรงทำมุมกัน การบวกตัวเลขอย่างเดียวไม่เพียงพอ
แรงทิศตรงข้าม
ถ้าดึงรถเข็นในทิศตรงข้ามกันล่ะ? จากแรง 7 นิวตันไปทางขวา แรง 3 นิวตันไปทางซ้ายหักล้างส่วนที่เท่ากัน เหลือ R = 4 Н ไปทางขวา ขนาดแรงลัพธ์คือแรงมากลบแรงน้อย และทิศตามแรงที่มากกว่า หากแรงเท่ากันแต่ตรงข้ามบนแนวเดียวกัน R = 0 ความเฉื่อยหมายถึงความเร็วคงเดิม ไม่จำเป็นต้องหยุด ถ้าแนวแรงแยกจากกันอาจยังทำให้หมุนได้ ซึ่งแบบจำลองง่ายนี้ไม่ได้อธิบาย
สปริงที่ถูกยืด
สปริงมีค่าคงตัว 100 นิวตันต่อเมตร ยาวขึ้นจาก 10 เป็น 12 เซนติเมตรภายในช่วงที่ใช้กฎของฮุคได้ จงหาแรงคืนรูป
ลองดูตัวอย่าง · 1
เริ่มจากหาระยะยืด: 12 − 10 = 2 см = 0,02 м
ลองดูตัวอย่าง · 2
จากนั้น Fупр = kΔl = 100·0,02 = 2 Н
ลองดูตัวอย่าง · 3
แรงมีทิศคืนความยาวเดิม อย่าใส่ความยาวทั้งหมด 12 เซนติเมตรลงในสูตร
เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า
แรงคืนรูปมีขนาด 2 นิวตัน
ใจความสำคัญ · 1
สปริงตอบสนองต่อการเปลี่ยนความยาว กฎของฮุคใช้ระยะยืด ไม่ใช่ความยาวทั้งหมด
ใจความสำคัญ · 2
ความเป็นสัดส่วน Fупр = kΔl ตรวจสอบด้วยการทดลอง และใช้ได้เฉพาะช่วงยืดหยุ่นเชิงเส้น
ใจความสำคัญ · 3
ผลร่วมขึ้นกับทิศของแรงและวัตถุที่แรงกระทำ หากแรงลัพธ์เป็นศูนย์ ความเร็วเดิมจะคงอยู่
เราจะไปที่ไหนต่อไป?
แรงเสียดทานมักเป็นหนึ่งในแรงที่กระทำต่อวัตถุเคลื่อนที่ ต่อไปเราจะดูว่ามันขัดขวางเมื่อใดและช่วยเมื่อใด
แนวคิดพื้นฐาน
การเปลี่ยนรูป
การเปลี่ยนรูปร่างหรือขนาดของวัตถุเมื่อรับแรงภายนอกเรียกว่าการเปลี่ยนรูป
การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นหายไปเมื่อเอาแรงออก ส่วนการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกทิ้งการเปลี่ยนแปลงถาวรที่สังเกตได้
กฎของฮุค
ในช่วงยืดหยุ่นเชิงเส้น ขนาดแรงคืนรูปแปรผันตรงกับขนาดการเปลี่ยนแปลงความยาว
ค่าคงตัวของสปริงเชื่อมโยงแรงกับการเปลี่ยนความยาว การคืนรูปหลังเอาแรงออกยังไม่รับประกันความเป็นเชิงเส้น เพราะการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นอาจอยู่นอกช่วงที่ใช้กฎของฮุคได้
แรงลัพธ์
แรงหนึ่งแรงที่แทนผลร่วมของหลายแรง และทำให้การเคลื่อนที่เปลี่ยนเหมือนกัน
แรงทิศเดียวกันให้บวกขนาด ส่วนแรงตรงข้ามให้ลบขนาด แรงลัพธ์มีทิศตามแรงที่มากกว่า
ปริมาณทางฟิสิกส์
แรงคืนรูปยืดหยุ่น
F_{\text{упр}}แรงที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปและมีทิศทำให้วัตถุคืนรูป
หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}
ระยะยืด
\Delta lการเปลี่ยนแปลงความยาวของวัตถุที่เปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น
หน่วย: เมตร · \mathrm{м}
ค่าคงตัวของสปริง
kค่าคงตัวของความเป็นสัดส่วนระหว่างแรงคืนรูปกับระยะยืด
หน่วย: นิวตันต่อเมตร · \frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{м}}
แรงลัพธ์
Rแรงเทียบเท่ากับการกระทำรวมกันของแรงหลายแรง
หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}
สูตรบทเรียน
กฎของฮุคสำหรับขนาดของแรง
F_{\text{упр}} = k|\Delta l|ขนาดแรงคืนรูปเท่ากับค่าคงตัวของสปริงคูณด้วยขนาดการเปลี่ยนแปลงความยาว
เงื่อนไข: การเปลี่ยนรูปขนาดเล็กในช่วงยืดหยุ่นเชิงเส้น โดยแรงมีทิศต้านการเปลี่ยนรูป
แรงทิศเดียวกัน
R = F_1 + F_2สำหรับแรงทิศเดียวกัน ขนาดแรงลัพธ์เท่ากับผลรวมของขนาดแรงเหล่านั้น
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ