แรง แรงโน้มถ่วง และน้ำหนักปรากฏ

หนังสือวางนิ่งบนหมอนนุ่มแต่ทำให้หมอนยุบ การอยู่นิ่งจึงไม่ได้หมายความว่าไม่มีแรง เราจะดูว่าอะไรออกแรงต่อหนังสือ หนังสือออกแรงต่ออะไร และเหตุใดจึงต้องแยกชื่อการกระทำเหล่านี้

การเปิดประตูไม่ได้ขึ้นกับว่าผลักแรงเท่าใดเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับทิศและตำแหน่งที่ผลักด้วย เราจึงอธิบายแรง F ด้วยขนาด ทิศทาง และจุดที่แรงกระทำ แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่วัดอันตรกิริยาทางกลระหว่างวัตถุ สามารถเปลี่ยนการเคลื่อนที่หรือทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปได้ หน่วยเอสไอคือนิวตัน N ลูกศรแรงต้องผูกกับวัตถุที่รับแรง และต้องระบุด้วยว่าวัตถุใดเป็นผู้ออกแรงนั้น

ถ้าเอาโต๊ะใต้หนังสือออก หนังสือจะเริ่มตก แรงดึงดูดของโลกมีอยู่ก่อนเอาโต๊ะออกแล้ว เพียงแต่ขณะนั้นโต๊ะพยุงหนังสือไว้ แรงโน้มถ่วงคือแรงที่โลกดึงดูดวัตถุที่อยู่ใกล้โลก แรงนี้กระทำต่อหนังสือ มีทิศเกือบแนวดิ่งลงสู่ศูนย์กลางโลก จะตัดสินว่ามีแรงหรือไม่จากการเคลื่อนที่อย่างเดียวไม่ได้ แรงโน้มถ่วงกระทำทั้งต่อหนังสือที่วางนิ่งและลูกบอลที่กำลังตก

ที่ตำแหน่งเดียวกัน โลกดึงดูดมวลสองกิโลกรัมแรงกว่ามวลหนึ่งกิโลกรัมเท่าใด? ประมาณสองเท่า ใกล้ผิวโลกแต่ละกิโลกรัมได้รับแรงประมาณ 9.8 นิวตัน อัตราส่วนแรงโน้มถ่วงต่อมวลใช้สัญลักษณ์ g โดยที่นี่ g ≈ 9,8 Н/кг ค่าสัมประสิทธิ์เดียวกันนี้เท่ากับความเร่งของการตกอย่างอิสระประมาณ 9.8 m/s² หน่วยสองแบบแสดงความเชื่อมโยงระหว่างแรงดึงดูดกับการตก ให้ใช้ค่า g ตามที่โจทย์กำหนด

หาแรงที่กระทำต่อมวลทั้งหมดโดยคูณแรงต่อกิโลกรัมกับจำนวนกิโลกรัม: Fтяж = mg เมื่อ g คงเดิม มวลสองเท่าจะได้รับแรงสองเท่า หน่วยยืนยันความสัมพันธ์นี้: кг·Н/кг = Н หากย้ายวัตถุเดิมไปดาวเคราะห์อื่น มวลซึ่งวัดความเฉื่อยยังเท่าเดิม แต่ g และแรงโน้มถ่วงอาจเปลี่ยน ดังนั้นใช้กิโลกรัมแทนนิวตันไม่ได้ แม้เครื่องชั่งในบ้านจะแสดงค่าเป็นกิโลกรัมก็ตาม

ทีนี้พิจารณาโต๊ะ หนังสือกดโต๊ะเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก แรงที่วัตถุกระทำต่อสิ่งรองรับหรือสิ่งแขวนนี้เรียกในบทเรียนว่าน้ำหนักปรากฏ P มีหน่วยเป็นนิวตัน แรงโน้มถ่วงกระทำต่อหนังสือ แต่น้ำหนักปรากฏกระทำต่อโต๊ะ เพื่อไม่ให้สับสน ลองล้อมขอบเขตรอบหนังสือก่อน แล้วรอบสิ่งรองรับ พร้อมถามว่ากำลังพิจารณาการเคลื่อนที่หรือการเปลี่ยนรูปของสิ่งใด แรงสองแรงที่มีค่าตัวเลขเท่ากันยังไม่ใช่แรงเดียวกัน

หนังสือวางนิ่งบนโต๊ะราบ แรงจากโต๊ะที่ชี้ขึ้นสมดุลกับแรงโน้มถ่วงที่ชี้ลง เมื่อไม่มีการกระทำแนวดิ่งอื่น หนังสือออกแรงต่อโต๊ะ P = mg ทีนี้ลองนึกถึงเครื่องชั่งในลิฟต์ที่เร่งขึ้น เพื่อให้วัตถุเร่งไปพร้อมลิฟต์ สิ่งรองรับต้องออกแรงมากขึ้น และแรงกดบนสิ่งรองรับก็เพิ่มขึ้น สูตร P = mg จึงใช้กับเงื่อนไขการอยู่นิ่งที่ระบุไว้ ไม่ใช่ทุกกรณีที่มีสิ่งรองรับ

ลองนึกว่าปล่อยลิฟต์ เครื่องชั่ง และก้อนมวลบนเครื่องชั่งให้ตกอย่างอิสระพร้อมกัน ก้อนมวลกับสิ่งรองรับมีความเร่งเท่ากัน สิ่งรองรับจึงไม่ต้องพยุงก้อนมวลไม่ให้ตกอีก ก้อนมวลไม่ออกแรงกดมัน: P = 0 นี่คือภาวะไร้น้ำหนัก โลกยังดึงดูดก้อนมวลอยู่ และมวลไม่ได้หายไป ข้อสรุปนี้ต้องอาศัยการตกอย่างอิสระร่วมกัน โดยการกระทำอื่น เช่น แรงต้านอากาศ มีค่าน้อยจนละเลยได้

ก้อนมวล 2 กิโลกรัมวางนิ่งบนโต๊ะราบ มีเพียงแรงโน้มถ่วงกับแรงจากโต๊ะกระทำต่อมัน โดย g = 10 Н/кг จงหาแรงโน้มถ่วงและน้ำหนักปรากฏ

เริ่มจากพิจารณาก้อนมวล โลกออกแรงต่อมันในทิศลง: Fтяж = mg = 2·10 = 20 Н

ก้อนมวลอยู่นิ่ง แรงจากโต๊ะที่ชี้ขึ้นจึงสมดุลกับแรงโน้มถ่วงและมีขนาด 20 นิวตันเช่นกัน

ทีนี้พิจารณาโต๊ะ ก้อนมวลออกแรงกดโต๊ะลง 20 นิวตัน นี่คือน้ำหนักปรากฏของก้อนมวล แรงที่มีขนาดเท่ากันเหล่านี้กระทำต่อวัตถุคนละชิ้น

Fтяж = 20 Н กระทำต่อก้อนมวล; P = 20 Н กระทำต่อโต๊ะ

ทุกแรงมีผู้ออกแรงและวัตถุที่รับแรง การอยู่นิ่งไม่ได้หมายความว่าไม่มีแรง

มวลมีหน่วยเป็นกิโลกรัม ส่วนแรงโน้มถ่วง Fтяж = mg และน้ำหนักปรากฏมีหน่วยเป็นนิวตัน

น้ำหนักปรากฏบอกแรงที่กระทำต่อสิ่งรองรับ เมื่ออยู่นิ่งตามปกติ P = mg แต่เมื่อตกอย่างอิสระร่วมกัน P = 0 แม้แรงโน้มถ่วงยังคงอยู่

เราใช้สปริงวัดแรงได้ บทเรียนต่อไปจะอธิบายการเปลี่ยนรูปและการรวมแรง