fizikzauglom

เกรด 9 · กฎของนิวตัน

แรงโน้มถ่วง ความยืดหยุ่น น้ำหนัก และแรงเสียดทาน

แรงโน้มถ่วงสากล กฎของฮุค น้ำหนักปรากฏที่เพิ่มขึ้น และสภาวะไร้น้ำหนัก

32 นาที13 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

เครื่องชั่งในลิฟต์ที่กำลังชะลออ่านค่าได้มากขึ้น ทั้งที่คนไม่ได้กินอะไรเพิ่มและยังมีมวลเท่าเดิม เราจะทำความเข้าใจค่านี้โดยแยกว่าโลก สปริง พื้น และคน ออกแรงต่อสิ่งใดบ้าง

เครื่องชั่งในลิฟต์ลิฟต์อยู่นิ่งเร่งขึ้นaค่าหนึ่งอีกค่าหนึ่งมวลเท่าเดิม ทำไมน้ำหนักเปลี่ยน
คนคนเดิมยืนบนเครื่องชั่ง ด้านซ้ายลิฟต์อยู่นิ่ง ด้านขวาลิฟต์เริ่มเร่งขึ้น มวลของคนไม่เปลี่ยน เหตุใดค่าที่เครื่องชั่งอ่านจึงต่างกัน

การดึงดูดซึ่งกันและกัน

เหตุใดแอปเปิลจึงตกเข้าหาโลก แต่โลกดูเหมือนไม่ตอบสนอง แรงโน้มถ่วงเป็นแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน วัตถุที่มีมวลดึงดูดกันด้วยแรงขนาดเท่ากัน กฎ F = Gm₁m₂/r² แสดงว่าขนาดแรงขึ้นกับมวลทั้งสองและระยะห่างอย่างไร โลกมีความเร่งน้อยจนแทบสังเกตไม่ได้เพราะมีมวลมหาศาล รูปสมการนี้ใช้กับอนุภาคจุดหรือวัตถุที่มีสมมาตรทรงกลมและไม่ซ้อนทับกัน จึงไม่อาจแทนก้อนหินรูปร่างใด ๆ ที่อยู่ใกล้ด้วยทรงกลมโดยไม่ตรวจสอบก่อน

F = Gm₁m₂ / r²r เท่ากันมวลเท่ากันMmFM2m2Fm × 2 → F × 2MmrMm2rr × 2 → F / 4เปลี่ยนทีละปริมาณ
แทนวัตถุด้วยจุด ด้านซ้ายคงระยะห่างและมวล M ไว้ การเพิ่มมวลอีกชิ้นจาก m เป็น 2m ทำให้แรงบน M เป็นสองเท่า ด้านขวาคงมวลไว้ การเพิ่มระยะห่างเป็นสองเท่าทำให้แรงบน M เหลือหนึ่งในสี่ ลูกศรสีแดงเริ่มที่ M การเปรียบเทียบแต่ละชุดแยกจากกัน และแต่ละชุดใช้มาตราส่วนแรงเดียวกัน

ต้องใช้ปริมาณใดบ้าง

ลองนึกภาพแยกทรงกลมสองลูกให้มีระยะห่างเป็นสองเท่า แรงจะเหลือหนึ่งในสี่ เพราะสิ่งที่สำคัญคือกำลังสองของระยะ r ระหว่างจุดศูนย์กลาง ไม่ใช่ช่องว่างระหว่างผิว ส่วนการเพิ่มมวลลูกใดลูกหนึ่งเป็นสองเท่าจะทำให้แรงเป็นสองเท่า ในระบบ SI ใช้มวลหน่วยกิโลกรัมและ r หน่วยเมตร โดย G ≈ 6,67·10⁻¹¹ Н·м²/кг² ค่าคงตัวสากลนี้กำหนดความแรงของแรงโน้มถ่วง ไม่ใช่ความเร่ง g ณ บริเวณนั้น และไม่เปลี่ยนเมื่อย้ายการทดลองไปดาวเคราะห์ดวงอื่น

มวลหน่วย kg ระยะหน่วย mMmr: ระหว่างศูนย์กลางF = GMm / r²G ≈ 6,67·10⁻¹¹ Н·м²/кг²
สำหรับวัตถุที่มีสมมาตรทรงกลมและไม่ซ้อนทับกัน วัดระยะ r ระหว่างจุดศูนย์กลางเป็นเมตร และมวล M กับ m เป็นกิโลกรัม แรงอยู่ตามแนวเชื่อมจุดศูนย์กลาง มีขนาดเท่ากันและทิศตรงข้าม G เป็นค่าคงตัวสากล และแรงที่กระทำต่อวัตถุแต่ละชิ้นเท่ากับ GMm/r²

แรงโน้มถ่วงใกล้ผิวดาวเคราะห์

แรงโน้มถ่วงเกี่ยวข้องกับความเร่งของการตกที่วัดได้อย่างไร ใกล้ผิวดาวเคราะห์ แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุคือ Fтяж = mg เมื่อมวลเพิ่มเป็นสองเท่า แรงก็เพิ่มเป็นสองเท่า แต่ความเฉื่อยเพิ่มเป็นสองเท่าด้วย จึงยังได้ a = Fтяж/m = g เท่าเดิม บนโลก g มีค่าประมาณ 9.8 m/s² เมื่อไปดาวเคราะห์ดวงอื่น g และแรงโน้มถ่วงเปลี่ยน แต่มวลคงเดิม เราถือว่า g คงที่ได้ในบริเวณที่มีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับรัศมีดาวเคราะห์

ที่เดียวกัน: g เท่ากันm2mmg2mgใกล้ผิวโลก: g ≈ 9,8 м/с²
ใกล้ผิวโลก แรงโน้มถ่วงชี้ลงสู่ศูนย์กลางโลก เมื่อ g เท่ากัน การเพิ่มมวลเป็นสองเท่าทำให้แรงเป็นสองเท่า ลูกศร mg กับ 2mg เริ่มจากจุดศูนย์กลางวัตถุ และมีความยาวในอัตราส่วน 1:2 บนดาวเคราะห์ดวงอื่น มวลยังคงเดิม แต่แรงเปลี่ยนตามค่า g ของบริเวณนั้น

การเปลี่ยนรูปและการคืนรูป

เมื่อแขวนวัตถุกับสปริง สปริงจะยืดและดึงวัตถุกลับ การเปลี่ยนรูปทำให้ส่วนต่าง ๆ ของสปริงเปลี่ยนตำแหน่งสัมพัทธ์กัน ส่วนแรงยืดหยุ่นพยายามให้สปริงคืนรูป ระยะยืด Δl คือความยาวใหม่ลบความยาวเดิม มีหน่วยเมตร เมื่ออัดสปริงค่านี้เป็นลบ จึงใช้ |Δl| ในความสัมพันธ์ของขนาดแรง ต้องหาทิศทางแยกต่างหาก สปริงที่ยืดจะดึงเพื่อคืนความยาว ส่วนสปริงที่ถูกอัดจะผลัก

ความยาวสปริงกับระยะยืดยังไม่ยืดความยาว l₀Fупрความยาว lΔlΔl = l − l₀
แสดงสปริงเส้นเดียวกันก่อนและหลังยืด ปลายที่ยึดอยู่คงที่ ส่วนปลายอิสระเลื่อนไปทางขวา เส้นประระบุตำแหน่งเดิมของปลายอิสระ วงเล็บวัดความยาวของสปริงจากจุดยึดถึงวัตถุ ระยะยืดคือระยะระหว่างตำแหน่งปลายเดิมกับปลายใหม่ ไม่ใช่ขนาดของวัตถุ แรงที่สปริงกระทำต่อวัตถุชี้ซ้าย

กฎของฮุค

แขวนวัตถุชิ้นเล็กที่เหมือนกันกับสปริงเดียวกันเพิ่มทีละชิ้น ในช่วงที่ใช้แบบจำลองเชิงเส้นได้ เมื่อแรงกระทำเพิ่มเป็นสองเท่า ระยะเปลี่ยนรูปก็เพิ่มเป็นสองเท่า: Fупр = k|Δl| ค่าคงตัวสปริง k หน่วย N/m บอกแรงต่อการเปลี่ยนความยาวหนึ่งเมตร เมื่อยืดเท่ากัน สปริงที่แข็งกว่าจะออกแรงมากกว่า บนกราฟ Fупр เทียบกับ |Δl| ค่า k คือความชันของเส้นตรง และเมื่อไม่มีการเปลี่ยนรูป แบบจำลองนี้ให้แรงเป็นศูนย์

กฎของฮุค: Fупр = k|Δl|Fупрคืนสู่ความยาวเดิมFупр, Н|Δl|, м0ΔlΔFความชัน: k = ΔF / Δlค่าคงตัวสปริง k มีหน่วย Н/м
ในช่วงเชิงเส้น แรงยืดหยุ่นที่กระทำต่อวัตถุมีทิศต้านการเปลี่ยนรูปและมีขนาด k|Δl| ด้านซ้ายแสดงสปริงที่ยืดและแรงบนวัตถุในแบบจำลองอนุภาคจุด ด้านขวาเป็นเส้นตรงที่เริ่มจากศูนย์และมีความชัน k แผนภาพนี้ใช้กับการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นเล็กน้อย

ขอบเขตที่ใช้กฎได้

เรายืดสปริงต่อไปเรื่อย ๆ ตามเส้นตรงเดิมบนกราฟได้หรือไม่ ไม่ได้ เพราะกฎของฮุคอธิบายได้เฉพาะช่วงเชิงเส้นที่จำกัด ความยืดหยุ่นหมายถึงการคืนรูปเมื่อเอาแรงออก แต่พฤติกรรมยืดหยุ่นไม่จำเป็นต้องเป็นเชิงเส้นทุกช่วงการเปลี่ยนรูป หากยืดมากเกินไป ความเป็นสัดส่วนจะสิ้นสุดลง และสปริงที่เสียหายอาจไม่คืนรูป ก่อนใช้ k จึงต้องตรวจสอบทั้งวัสดุและช่วงแรงที่กระทำ

เป็นสัดส่วนจนถึงขอบเขตFупр, НΔl, м0Fупр = kΔlไม่เป็นเชิงเส้นขอบเขตไม่เป็นเชิงเส้น ≠ ไม่ยืดหยุ่น
กราฟเชิงแผนภาพของขนาดแรงขณะยืด ส่วนที่เป็นเส้นตรงเริ่มจากศูนย์และเป็นไปตามกฎของฮุค เมื่อพ้นช่วงนี้ ความสัมพันธ์อาจไม่เป็นเชิงเส้นแต่วัตถุยังยืดหยุ่นอยู่ได้ ความไม่เป็นเชิงเส้นเพียงอย่างเดียวไม่ได้พิสูจน์ว่าเกิดความเสียหาย แต่เมื่อเสียหายแล้ว แบบจำลองสปริงเดิมจะใช้ไม่ได้

แรงเสียดทานตามแนวผิวสัมผัส

หนังสือที่ไถลบนโต๊ะช้าลง เพราะผิวทั้งสองออกแรงต่อกันตามแนวสัมผัส แรงเสียดทานจลน์มีทิศต้านการไถลสัมพัทธ์ของผิว แบบจำลองโดยประมาณ Fтр = μN เชื่อมขนาดแรงนี้กับแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก N ซึ่งตั้งฉากกับผิว โดย μ ไม่มีมิติ ภายในแบบจำลองนี้ การเพิ่ม N เป็นสองเท่าโดยทั่วไปทำให้แรงเสียดทานเป็นสองเท่า N ไม่ได้เท่ากับ mg เสมอไป แรงกดเพิ่มเติมหรือความเร่งของพื้นรองรับทำให้แรงปฏิกิริยาเปลี่ยนได้

ไถลเทียบกับพื้นรองรับNmgFтрvFтр ≈ μN; N ตั้งฉากกับพื้น
ก้อนวัตถุไถลไปทางขวาเทียบกับผิวแนวราบที่อยู่นิ่ง แรงเสียดทานชี้ซ้ายและแรงปฏิกิริยาตั้งฉากตั้งฉากกับผิว ในแผนภาพอนุภาคจุด แรงทุกแรงวาดจากจุดศูนย์กลางของก้อนวัตถุ และแรงในแนวดิ่งสมดุลกัน โดยประมาณ Fтр = μN ซึ่ง μ ไม่มีหน่วย

แรงเสียดทานก่อนเริ่มไถล

ลองผลักตู้เบา ๆ แล้วเพิ่มแรง ขณะที่ตู้ยังอยู่นิ่ง แรงลัพธ์ในแนวราบเป็นศูนย์ แรงเสียดทานสถิตปรับตามแรงผลัก เมื่อผลัก 10 N แรงเสียดทานอาจมีขนาด 10 N ในทิศตรงข้าม และเมื่อไม่มีแรงกระทำในแนวราบก็อาจเป็นศูนย์ได้ แรงนี้จะถึงค่าสูงสุดซึ่งอธิบายด้วยสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิตและ N เฉพาะเมื่อกำลังจะเริ่มไถล ดังนั้นคำว่าแรงเสียดทานเท่ากับ μN เสมอจึงมองข้ามความแตกต่างสำคัญระหว่างการอยู่นิ่งกับการไถล

ตู้อยู่กับที่: แรงแนวราบ10 НFтр = 10 НFтр สถิต ≤ Fтр maxที่นี่ Fтр สถิต = 10 Н
แรงในแนวราบที่กระทำต่อตู้ซึ่งอยู่นิ่งมีเพียงแรงผลัก 10 N กับแรงเสียดทานสถิต แรงทั้งสองมีขนาดเท่ากันและทิศตรงข้าม แรงสีแดงกระทำที่ด้านข้าง ส่วนแรงสีน้ำเงินกระทำบริเวณสัมผัสพื้น แรงเสียดทานสูงสุดอาจมากกว่า 10 N ได้ ก่อนเริ่มไถล แรงเสียดทานสถิตจะปรับตามแรงผลัก

แรงโน้มถ่วงกับน้ำหนักแตกต่างกัน

คนกดเครื่องชั่ง และเครื่องชั่งกดกลับที่คน ในบทนี้ น้ำหนัก P หมายถึงแรงที่วัตถุกระทำต่อพื้นรองรับหรือสิ่งแขวน มีหน่วยนิวตัน แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก N กระทำกลับต่อคน แรงสัมผัสสองแรงนี้เป็นคู่ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน ส่วนแรงโน้มถ่วง mg เป็นอีกแรงหนึ่งที่โลกกระทำต่อคน แม้ P และ mg จะมีขนาดเท่ากัน แต่กระทำต่อวัตถุคนละชิ้น ค่าที่เครื่องชั่งอ่านได้จึงสะท้อนแรงสัมผัส ไม่ใช่การวัดมวลหรือแรงโน้มถ่วงโดยตรง

แต่ละแรงกระทำต่อสิ่งใดกระทำต่อคนกระทำต่อพื้นรองรับNmgPN = mgคู่แรงสัมผัส N กับ P: |N| = |P|
คนอยู่นิ่ง ด้านซ้ายใช้แบบจำลองจุด โดย N และ mg กระทำที่จุดเดียวกันซึ่งแทนคน และมีขนาดเท่ากัน ด้านขวา น้ำหนัก P กระทำต่อผิวพื้นรองรับตรงจุดสัมผัสกับคน แรงสัมผัส N และ P เป็นคู่ตามกฎข้อที่สามซึ่งกระทำต่อวัตถุคนละชิ้น ส่วนแรงโน้มถ่วง mg เกิดจากอันตรกิริยากับโลก

น้ำหนักเมื่อมีความเร่งขึ้น

เพื่อให้คนมีความเร่งขึ้น พื้นรองรับต้องทั้งสมดุลกับแรงโน้มถ่วงและให้แรงส่วนเกินขึ้นด้านบน เมื่อกำหนดแกนบวกขึ้น ได้ N − mg = ma ดังนั้นขนาดน้ำหนักคือ P = N = m(g + a) โดย a เป็นขนาดความเร่งขึ้น เมื่อ a = 0 จะได้ mg และเมื่อ a เพิ่ม น้ำหนักก็เพิ่ม ลิฟต์อาจกำลังเคลื่อนที่ลงและชะลออยู่ก็ได้ ค่าที่อ่านขึ้นกับการเปลี่ยนความเร็ว ไม่ใช่ทิศการเคลื่อนที่ในขณะนั้น

ความเร่งขึ้น: N > mgมวล mvaกระทำต่อคนNmgP = N = m(g + a)v อาจชี้ลง
ลิฟต์อาจเคลื่อนที่ลงแต่กำลังชะลอ จึงมีความเร่งชี้ขึ้น ด้านขวาเป็นแผนภาพแรงบนคนในแบบจำลองอนุภาคจุด โดย N มากกว่า mg พื้นรองรับออกแรง N ต่อคน ส่วนน้ำหนัก P ของคนกระทำต่อพื้นรองรับและมีขนาดเท่ากับ N ดังนั้น P = m(g + a) ต้องพิจารณาความเร่ง ไม่ใช่ทิศของความเร็ว

ความเร่งลง

หากลิฟต์มีความเร่งลงขนาด a < g แรงโน้มถ่วงทำให้เกิดความเร่งนี้ส่วนหนึ่ง พื้นรองรับจึงออกแรงน้อยลง: P = m(g − a) เมื่อถึงขีดจำกัด a = g คนและพื้นตกอย่างอิสระไปด้วยกัน ไม่จำเป็นต้องมีแรงปฏิกิริยาคอยรองรับ จึงได้ P = 0 แต่แรงโน้มถ่วงยังคงมีอยู่ ไม่อาจใช้สูตรต่อไปจนได้แรงกดพื้นเป็นลบ เพราะพื้นรองรับธรรมดาไม่อาจดึงคนลงทางเท้าได้ เมื่อขาดการสัมผัสต้องเปลี่ยนแบบจำลอง

ความเร่งลงag0 < a < gP = m(g − a)a = g; P = 0mg ≠ 0ไร้น้ำหนัก: ไม่มีแรงสัมผัส
ด้านซ้าย คนยังสัมผัสเครื่องชั่งและมีความเร่งลงที่เป็นไปตาม 0 < a < g น้ำหนักจึงน้อยกว่า mg ด้านขวา คนกับพื้นรองรับตกอย่างอิสระด้วยความเร่ง g เท่ากัน อาจมีช่องว่างระหว่างกันและไม่มีแรงสัมผัส แต่แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อคนยังเท่ากับ mg ไม่ได้หายไป

เครื่องชั่งในลิฟต์ที่กำลังชะลอ

คนมวล 50 kg กำลังเคลื่อนที่ลง ลิฟต์ชะลอด้วยความเร่งขึ้นขนาด 2 m/s² กำหนดให้ g = 10 м/с² จงหาน้ำหนักของคน

ลิฟต์ลงและชะลอm = 50 кгvav: ลงa: ขึ้นน้ำหนัก: ?a = 2 м/с² ขึ้น; g = 10 м/с²P: แรงที่คนกระทำต่อพื้น
คนมวล 50 kg ยืนบนเครื่องชั่งในลิฟต์ ความเร็วชี้ลงและความเร่ง 2 m/s² ชี้ขึ้น แสดงว่าลิฟต์กำลังชะลอ กำหนด g = 10 м/с² จงหาน้ำหนักของคน ซึ่งเป็นแรงที่กระทำต่อพื้นรองรับ

ลองดูตัวอย่าง · 1

ลิฟต์เคลื่อนที่ลงแต่กำลังชะลอ ความเร่ง 2 m/s² จึงชี้ขึ้น เพื่อทำให้ความเร็วเปลี่ยนเช่นนี้ แรงจากพื้นรองรับต้องมากกว่า mg

ความเร็วกับความเร่งตรงข้ามกันm = 50 кгvav: ลงa: ขึ้นN > mga = 2 м/с² ขึ้น; g = 10 м/с²ความเร่งกำหนดน้ำหนัก
คนและเครื่องชั่งยังอยู่ในลิฟต์เดิมที่กำลังชะลอ ความเร็วชี้ลงและความเร่งชี้ขึ้น ดังนั้นแรงที่พื้นรองรับกระทำต่อคนต้องมากกว่าแรงโน้มถ่วง ทิศการเคลื่อนที่เพียงอย่างเดียวไม่ได้กำหนดน้ำหนัก

ลองดูตัวอย่าง · 2

แรง N กระทำขึ้นต่อคน และ mg กระทำลง กฎข้อที่สองของนิวตันให้ N − mg = ma น้ำหนักที่คนกระทำต่อพื้นรองรับมีขนาดเท่ากับ N

วัตถุที่เลือก: คนm = 50 кгvaกระทำต่อคนNmga = 2 м/с² ขึ้น; g = 10 м/с²N − mg = ma; แกนชี้ขึ้น
ด้านซ้ายยังเป็นการจัดวางเดิม ด้านขวาแทนคนด้วยจุด โดย N ชี้ขึ้น mg ชี้ลง และแกนบวกชี้ขึ้น ความยาวลูกศรแรงมีอัตราส่วน 600:500 ตรงกับข้อมูลโจทย์ น้ำหนักกระทำต่อพื้นรองรับ จึงไม่นำมารวมในแรงลัพธ์บนคน กฎข้อที่สองของนิวตันให้ N − mg = ma

ลองดูตัวอย่าง · 3

P = m(g + a) = 50 · (10 + 2) = 600 Н.

น้ำหนัก: แรงบนเครื่องชั่งm = 50 кгvaกระทำต่อพื้นรองรับP = Na = 2 м/с² ขึ้น; g = 10 м/с²P = 50 · (10 + 2) = 600 Н
ยังใช้การจัดวางเดิม ด้านขวาขยายจุดสัมผัสกับพื้นรองรับ น้ำหนัก P กระทำลงต่อเครื่องชั่ง ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน ขนาดของมันเท่ากับ N จึงได้ P = 50 · (10 + 2) = 600 Н.

ลองดูตัวอย่าง · 4

ถ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ค่าที่อ่านจะเป็น 500 N แรงส่วนเกิน 100 N ทำให้ได้ความเร่งขึ้น 100/50 = 2 м/с² โดยมวลของคนยังคงเป็น 50 kg

มวลเท่าเดิม น้ำหนักต่างกันm = 50 кгvaน้ำหนัก, Н500600a = 0a = 2a = 2 м/с² ขึ้น; g = 10 м/с²ΔP = 100 Н; มวลยังเป็น 50 кг
ด้านซ้ายยังเป็นลิฟต์เดิมที่เคลื่อนที่ลงและกำลังชะลอ ด้านขวาเปรียบเทียบน้ำหนักของคนคนเดิมเมื่อ a = 0 กับเมื่อมีความเร่งขึ้น 2 m/s² ซึ่งเท่ากับ 500 N และ 600 N ความสูงแท่งแปรผันตรงกับน้ำหนัก แรงส่วนเกิน 100 N ทำให้เกิดความเร่ง โดยมวลยังเท่ากับ 50 kg

ตรวจสอบผลลัพธ์

น้ำหนักเท่ากับ 600 N มากกว่าค่าปกติ 100 N สำหรับค่า g ที่กำหนด แรงกดที่เพิ่มขึ้นเกิดจากการชะลอของลิฟต์ ไม่ใช่การเปลี่ยนมวล

ประเด็นสำคัญ · 1

มวลเท่าเดิมอาจรับแรงโน้มถ่วงต่างกันและมีน้ำหนักต่างกันได้ ต้องแยกชนิดของอันตรกิริยาและวัตถุที่แต่ละแรงกระทำต่อ

ประเด็นสำคัญ · 2

แรงสปริงและแรงเสียดทานอธิบายด้วยกฎโดยประมาณ ช่วงการเปลี่ยนรูปและการมีหรือไม่มีการไถลจึงสำคัญ

ประเด็นสำคัญ · 3

น้ำหนักเปลี่ยนตามความเร่งของพื้นรองรับ ขณะตกอย่างอิสระ แรงสัมผัสหายไปแต่แรงโน้มถ่วงยังคงกระทำอยู่

เรียนอะไรต่อ

แรงโน้มถ่วงและกฎข้อที่สองของนิวตันจะช่วยอธิบายวงโคจรของดาวเทียม

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

แรงโน้มถ่วงสากล

วัตถุใด ๆ สองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงที่ขึ้นกับมวลและระยะห่างระหว่างกัน

สำหรับทรงกลม ให้วัดระยะระหว่างจุดศูนย์กลาง ความเร่ง g ขึ้นกับมวลและรัศมีของวัตถุท้องฟ้า จึงมีค่าต่างกันบนดาวเคราะห์ดวงอื่น

น้ำหนัก น้ำหนักปรากฏที่เพิ่มขึ้น และสภาวะไร้น้ำหนัก

น้ำหนักขึ้นกับความเร่งของพื้นรองรับ โดยเพิ่มขึ้นเมื่อมีความเร่งขึ้น และเป็นศูนย์เมื่อตกอย่างอิสระ

สภาวะไร้น้ำหนักไม่ได้หมายความว่าแรงโน้มถ่วงหายไป วัตถุกับพื้นรองรับเพียงตกด้วยความเร่งเท่ากัน

ความยืดหยุ่นและแรงเสียดทาน

ความยืดหยุ่นเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปและการคืนรูปเดิม ส่วนแรงเสียดทานต้านการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างผิวสัมผัส

ในการทดลอง หาค่าคงตัวสปริงได้จากความชันของกราฟแรงเทียบกับระยะยืด ในช่วงที่ใช้กฎของฮุคได้

ปริมาณทางฟิสิกส์

6 ปริมาณ

แรงโน้มถ่วง

F_{\text{тяж}}

แรงดึงดูดที่ดาวเคราะห์กระทำต่อวัตถุใกล้ผิวดาวเคราะห์

หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}

น้ำหนัก

P

แรงที่วัตถุกระทำต่อพื้นรองรับหรือสิ่งแขวน

หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}

แรงยืดหยุ่น

F_{\text{упр}}

แรงที่เกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น

หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}

ระยะยืด

\Delta l

การเปลี่ยนความยาวของวัตถุยืดหยุ่น

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

ค่าคงตัวสปริง

k

ค่าคงตัวสัดส่วนที่เชื่อมแรงยืดหยุ่นกับระยะยืด

หน่วย: นิวตันต่อเมตร · \frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{м}}

ค่าคงตัวความโน้มถ่วง

G

ค่าคงตัวในกฎแรงโน้มถ่วงสากล

หน่วย: นิวตันเมตรกำลังสองต่อกิโลกรัมกำลังสอง · \frac{\mathrm{Н}\cdot\mathrm{м}^2}{\mathrm{кг}^2}

สูตรบทเรียน

4 สูตร

กฎแรงโน้มถ่วงสากล

F=G\frac{m_1m_2}{r^2}

แรงโน้มถ่วงแปรผันตรงกับผลคูณของมวล และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่าง

แรงโน้มถ่วง

F_{\text{тяж}}=mg

แรงโน้มถ่วงใกล้ผิวดาวเคราะห์เท่ากับมวลคูณด้วยความเร่งของการตกอย่างอิสระ

กฎของฮุค

F_{\text{упр}}=k|\Delta l|

ในช่วงเชิงเส้น ขนาดแรงยืดหยุ่นเท่ากับค่าคงตัวสปริงคูณด้วยขนาดการเปลี่ยนความยาว

เงื่อนไข: การเปลี่ยนรูปเล็กน้อยในช่วงที่ใช้กฎของฮุคได้ แรงมีทิศต้านการเปลี่ยนรูป

น้ำหนักเมื่อมีความเร่งในแนวดิ่ง

P=m(g+a)

เมื่อพื้นรองรับมีความเร่งขึ้น น้ำหนักเท่ากับมวลคูณด้วยผลรวมของ g กับขนาดความเร่ง

เงื่อนไข: ความเร่งในแนวดิ่งของพื้นรองรับชี้ขึ้น โดย a คือขนาดของความเร่งนั้น

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

แรง มวล และแรงเสียดทาน

ΣF = F + Fтр; a = ΣF/m; |Fтр| ≤ μmg

วัตถุเริ่มจากหยุดนิ่งบนพื้นราบ g = 10 m/s² กำหนดให้สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิตสูงสุดและจลน์เท่ากัน และ N = mg

เมื่อ F = 6 N และ μ = 0 เพิ่มมวลจาก 2 เป็น 4 kg ค่า a จะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

แสดงเวกเตอร์
F6 НFтр0 НΣF6 Н

ผลการคำนวณ

a
3 м/с²
ΣF
6 Н
Fтр
0 Н
อธิบายผล

แรงเสียดทานสถิตปรับขนาดให้สมดุลกับแรงที่กระทำจนถึง μmg ดังนั้น F ที่น้อยให้ความเร่งศูนย์ หลังเริ่มไถล ความเร่งขึ้นกับแรงลัพธ์

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ