เกรด 9 · การเคลื่อนไหวโค้งและความสมดุล
สมดุลและจุดศูนย์ถ่วง
โมเมนต์ของแรง จุดศูนย์ถ่วง และเสถียรภาพของสมดุล
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
จับพวงมาลัยด้วยมือสองข้างแล้วออกแรงเท่ากันในทิศตรงข้าม ผลรวมแรงอาจเป็นศูนย์ แต่พวงมาลัยยังหมุนได้ การแทนวัตถุด้วยอนุภาคจุดเพียงจุดเดียวขาดสิ่งใดไป
สองลักษณะของการเคลื่อนที่
สำหรับวัตถุที่มีขนาด ตำแหน่งที่แรงกระทำสำคัญพอ ๆ กับผลรวมแรง แรงเท่ากันแต่ทิศตรงข้ามที่ขอบคนละด้านของพวงมาลัยทำให้มันหมุนได้โดยศูนย์กลางไม่มีความเร่ง วัตถุแข็งเกร็งที่เริ่มต้นอยู่นิ่งจะคงสมดุลได้เมื่อทั้งแรงลัพธ์และโมเมนต์รวมเป็นศูนย์ เงื่อนไขแรกทำให้ไม่มีความเร่งเชิงเลื่อนที่ ส่วนเงื่อนไขที่สองป้องกันการเริ่มหมุน การแทนวัตถุด้วยจุดจึงไม่เพียงพอในโจทย์นี้
ระยะแขนของแรงวัดตั้งฉาก
ลองผลักประตูด้วยแรงเท่ากันใกล้บานพับกับใกล้มือจับ ที่มือจับจะให้ผลมากกว่าเพราะแนวแรงอยู่ห่างแกนกว่า ระยะที่วัดตั้งฉากนี้เรียกว่าระยะแขนของแรง l ซึ่งไม่จำเป็นต้องเท่ากับความกว้างประตู หากผลักจากมือจับตามแนวบานประตูตรงไปยังบานพับ แนวแรงจะผ่านแกนและระยะแขนเป็นศูนย์ ดังนั้นทั้งจุดออกแรงและทิศของแรงจึงสำคัญ
วัดผลการหมุน
จะเปรียบเทียบการออกแรงหมุนประตูสองครั้งได้อย่างไร ในโจทย์ระนาบ ขนาดโมเมนต์คือ M = Fl โดยนำแรง F หน่วยนิวตันคูณระยะแขน l หน่วยเมตร ได้หน่วย N·m เมื่อแรงหรือระยะแขนเพิ่มสองเท่า โมเมนต์เพิ่มสองเท่า เมื่อ l = 0 โมเมนต์เป็นศูนย์แม้แรงจะมาก โมเมนต์บอกผลการหมุนรอบแกนที่เลือก แม้มีมิติเหมือนงาน แต่ไม่ได้เป็นงานหรือพลังงาน
คำนึงถึงทิศการหมุน
กำหนดเครื่องหมายหนึ่งให้การหมุนตามเข็มนาฬิกา และเครื่องหมายตรงข้ามให้การหมุนทวนเข็ม หากมีโมเมนต์สำคัญเพียงสองโมเมนต์ในทิศตรงข้าม สมดุลต้องเป็นไปตาม F₁l₁ = F₂l₂ เมื่อเพิ่มระยะแขนข้างหนึ่งเป็นสองเท่า จะลดแรงข้างนั้นเหลือครึ่งหนึ่งได้ แรงปฏิกิริยาที่จุดหมุนไม่สร้างโมเมนต์รอบจุดหมุนนั้นเพราะระยะแขนเป็นศูนย์ แต่ยังต้องรวมแรงปฏิกิริยาในการหาแรงลัพธ์
แรงโน้มถ่วงกระทำที่ใด
โลกดึงดูดทุกส่วนของวัตถุ ในสนามที่เกือบสม่ำเสมอ เราแทนผลรวมของแรงเหล่านี้ด้วยแรงโน้มถ่วงแรงเดียวที่มีแนวผ่านจุดศูนย์ถ่วงได้ สำหรับรูปทรงสมมาตรที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอ หาได้จากสมมาตร จุดศูนย์ถ่วงของวงแหวนอยู่ในที่ว่าง เพราะเป็นจุดที่ใช้บรรยายผลของแรงที่กระจายอยู่ ไม่จำเป็นต้องมีเนื้อสาร ณ จุดนั้น หากความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอ จุดนี้อาจเลื่อนจากศูนย์กลางทางเรขาคณิต
หาจุดศูนย์ถ่วง
ตัดแผ่นวัตถุเป็นรูปใดก็ได้แล้วแขวนจากขอบ เหตุใดมันจึงหยุดในแนวหนึ่ง หากจุดศูนย์ถ่วงอยู่ข้างเส้นดิ่งผ่านจุดแขวน แรงโน้มถ่วงจะมีระยะแขนและทำให้แผ่นหมุน ในตำแหน่งสมดุลเสถียร จุดศูนย์ถ่วงอยู่ใต้จุดแขวน ลากเส้นดิ่งนี้ แล้วเปลี่ยนไปแขวนอีกจุดและลากเส้นดิ่งเส้นที่สอง จุดตัดคือจุดศูนย์ถ่วง โดยแผ่นต้องหมุนได้อิสระ ไม่ติดกับสิ่งรองรับ
เกิดอะไรขึ้นเมื่อวัตถุเอียง
ค่อย ๆ เอียงกล่องรอบขอบฐาน ขณะที่เส้นดิ่งผ่านจุดศูนย์ถ่วงยังอยู่ภายในฐาน แรงโน้มถ่วงจะพยายามให้กล่องกลับที่เดิม เมื่อเส้นดิ่งเลยขอบฐาน โมเมนต์ของแรงโน้มถ่วงจะทำให้กล่องล้มต่อไป ตำแหน่งตรงขอบคือกรณีขีดจำกัด เหตุผลนี้ใช้กับพื้นรองรับแนวราบที่ไม่มีผลทำให้ล้มเพิ่มเติม ความกว้างฐานกับความสูงจุดศูนย์ถ่วงร่วมกันกำหนดว่าจะเอียงได้มากเท่าใด
สมดุลเสถียร
ทดสอบเสถียรภาพด้วยการขยับเล็กน้อย ลูกบอลในชามเคลื่อนกลับหลังถูกขยับ จึงเป็นสมดุลเสถียร บนยอดเนินลูกบอลเคลื่อนห่างออกไปอีก จึงเป็นสมดุลไม่เสถียร ส่วนบนพื้นราบจะอยู่ในตำแหน่งใหม่ได้ เป็นสมดุลสะเทิน คำว่ากลับหมายถึงมีผลทำให้กลับคืน หากไม่มีแรงเสียดทาน ลูกบอลอาจสั่นรอบจุดเดิมนานโดยไม่หยุดทันที เพียงเห็นว่าวัตถุอยู่นิ่งจึงยังแยกกรณีเหล่านี้ไม่ได้
คานที่มีระยะแขนไม่เท่ากัน
แรง 30 N กระทำต่อคานโดยมีระยะแขน 0.4 m แรงที่มีระยะแขน 0.6 m ควรสร้างโมเมนต์ในทิศตรงข้ามเท่าใด ไม่คิดน้ำหนักคานและแรงเสียดทานที่จุดหมุน
ลองดูตัวอย่าง · 1
เพื่อให้คานสมดุล โมเมนต์ที่สองต้องมีขนาดเท่ากับโมเมนต์แรกและหมุนตรงข้ามกัน เลือกจุดยึดเป็นแกน จะได้ว่าแรงปฏิกิริยาที่จุดยึดมีระยะแขนเป็นศูนย์
ลองดูตัวอย่าง · 2
โมเมนต์แรกคือ M₁ = F₁l₁ = 30 · 0,4 = 12 Н·м.
ลองดูตัวอย่าง · 3
เมื่อระยะแขนเท่ากับ 0.6 m หาแรงที่ต้องการจาก F₂l₂ = M₁ ได้ F₂ = 12/0,6 = 20 Н.
ลองดูตัวอย่าง · 4
ระยะแขนที่สองยาวเป็น 1.5 เท่า แรงจึงน้อยลงเป็นสัดส่วน 1.5 เท่า เมื่อตรวจผลรวมแรงต้องรวมแรงปฏิกิริยาที่จุดหมุนด้วย การที่โมเมนต์เท่ากันไม่ได้ทดแทนการตรวจนี้
ตรวจสอบผลลัพธ์
สมดุลต้องใช้แรง 20 N ที่มีระยะแขน 0.6 m เพื่อสร้างโมเมนต์ตรงข้ามขนาด 12 N·m
ประเด็นสำคัญ · 1
วัตถุที่มีขนาดหมุนได้แม้แรงลัพธ์เป็นศูนย์ จึงต้องตรวจโมเมนต์ด้วยเมื่อพิจารณาสมดุล
ประเด็นสำคัญ · 2
ระยะแขนคือระยะตั้งฉากถึงแนวแรง แรงที่ผ่านแกนไม่ทำให้วัตถุหมุนรอบแกนนั้น
ประเด็นสำคัญ · 3
เสถียรภาพขึ้นกับสิ่งที่เกิดหลังขยับเล็กน้อย ไม่ใช่เพียงว่าขณะนี้วัตถุอยู่นิ่งหรือไม่
เรียนอะไรต่อ
วิธีถัดไปในการอธิบายอันตรกิริยาคือการติดตามโมเมนตัมของทั้งระบบ
แนวคิดพื้นฐาน
จุดศูนย์ถ่วง
จุดที่แรงโน้มถ่วงลัพธ์ซึ่งกระทำต่อส่วนต่าง ๆ ของวัตถุในสนามสม่ำเสมอกระทำผ่าน
หาตำแหน่งได้ด้วยการแขวนหรือใช้สมมาตร สำหรับวัตถุกลวง จุดนี้อาจอยู่นอกเนื้อวัสดุ
เงื่อนไขสมดุล
วัตถุอยู่ในสมดุลเมื่อทั้งแรงลัพธ์และโมเมนต์รวมรอบแกนเป็นศูนย์
เงื่อนไขแรกทำให้ไม่มีความเร่งเชิงเลื่อนที่ ส่วนเงื่อนไขที่สองทำให้ไม่มีความเร่งเชิงมุม
เสถียรภาพของสมดุล
สมดุลเสถียรคือสมดุลที่เมื่อขยับวัตถุเล็กน้อย จะเกิดผลทำให้วัตถุกลับเข้าหาตำแหน่งเดิม
จุดศูนย์ถ่วงต่ำและฐานกว้างช่วยเพิ่มเสถียรภาพ ขณะที่เส้นดิ่งผ่านจุดศูนย์ถ่วงยังอยู่ภายในฐาน
ปริมาณทางฟิสิกส์
โมเมนต์ของแรง
Mผลคูณของแรงกับระยะแขนตั้งฉากของแรงรอบแกน
หน่วย: นิวตันเมตร · \mathrm{Н}\cdot\mathrm{м}
ระยะแขนของแรง
lระยะสั้นที่สุดจากแกนถึงแนวแรง
หน่วย: เมตร · \mathrm{м}
สูตรบทเรียน
โมเมนต์ของแรง
M=Flโมเมนต์ของแรงเท่ากับแรงคูณด้วยระยะแขนของแรง
สมดุลของโมเมนต์
F_1l_1=F_2l_2ในสมดุล โมเมนต์ที่ทำให้วัตถุหมุนในทิศตรงข้ามมีขนาดเท่ากัน
ทดลองความสัมพันธ์
คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น
คานและระยะแขนโมเมนต์
F₁d₁ = F₂d₂
คานแข็งไม่มีมวล จุดหมุนตรึงและไม่มีแรงเสียดทาน แรงเป็นแนวดิ่ง คำนวณ F₂ ให้สมดุลโดยอัตโนมัติ ไม่ได้จำลองการเอียง
ถ้าเพิ่มระยะแขนโมเมนต์ด้านขวาจาก 1 เป็น 2 m แรง F₂ ที่ทำให้สมดุลจะเปลี่ยนอย่างไร?
ค่าเริ่มต้น
ผลการคำนวณ
- F₂
- 10 Н
- M₁
- 10 Н·м
- M₂
- 10 Н·м
- N
- 20 Н
อธิบายผล
ระยะแขนโมเมนต์สองเท่าทำให้แรงที่ต้องใช้เหลือครึ่งหนึ่ง ต้องสมดุลโมเมนต์ ไม่ใช่เพียงขนาดแรง แรงปฏิกิริยาจากจุดหมุนทำให้แรงแนวดิ่งสมดุล
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ