สืบค้นข้อมูล
การเคลื่อนที่ (
อังกฤษ:
motion) คือ การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุในช่วง
เวลาหนึ่ง ซึ่งวัดโดย
ผู้สังเกตที่เป็น
ส่วนหนึ่งของกรอบอ้างอิง เมื่อปลาย
คริสต์ศตวรรษที่ 19 เซอร์ไอแซก นิวตัน ได้เสนอ
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันในหนังสือ
Principia ของเขา ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นกฎพื้นฐานของ
ฟิสิกส์ดั้งเดิม การคำนวณการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ โดยใช้ฟิสิกส์ดั้งเดิมนั้นประสบความสำเร็จมาก จนกระทั่งนักฟิสิกส์เริ่มศึกษาเกี่ยวกับสิ่งที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก
นักฟิสิกส์พบว่า ฟิสิกส์ดั้งเดิมไม่สามารถคำนวณสิ่งที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงได้แม่นยำ เพื่อแก้ปัญหานี้
อองรี ปวงกาเร และ
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุ เพื่อใช้แทนของกฎของนิวตัน กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันกำหนดให้อวกาศและเวลาเป็นสิ่งสัมบูรณ์ แต่ทฤษฎีไอน์สไตน์กับปวงกาเร ซึ่งเรียกว่า
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ กำหนดให้ค่าเหล่านี้เป็นสิ่งสัมพัทธ์ ซึ่งต่อมา ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษก็เป็นที่ยอมรับในการอธิบายการเคลื่อนที่ เพราะทำนายผลลัพธ์ได้แม่นยำกว่า อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันยังเป็นที่ใช้กันอยู่ โดยเฉพาะงานด้าน
ฟิสิกส์ประยุกต์และงาน
วิศวกรรม เพราะสามารถคำนวณได้ง่ายกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ตอบข้อ 3
ที่มา
http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B8%97%E0%B8%B5%E0%B9%88
สืบค้นข้อมูล
นิยามเชิงปริมาณ
ในแบบจำลองทางฟิสิกส์ เราใช้ระบบ
เป็นจุด กล่าวคือเราแทนวัตถุด้วยจุดหนึ่งมิติที่
ศูนย์กลางมวลของมัน การเปลี่ยนแปลงเพียงชนิดเดียวที่เกิดขึ้นได้กับวัตถุก็คือการเปลี่ยนแปลง
โมเมนตัม (
อัตราเร็ว) ของมัน ตั้งแต่มีการเสนอ
ทฤษฎีอะตอมขึ้น ระบบทางฟิสิกส์ใดๆ จะถูกมองในวิชา
ฟิสิกส์คลาสสิกว่าประกอบขึ้นจากระบบเป็นจุดมากมายที่เรียกว่า
อะตอมหรือ
โมเลกุล เพราะฉะนั้น แรงต่างๆ สามารถนิยามได้ว่าเป็นผลกระทบของมัน นั่นก็คือเป็นการเปลี่ยนแปลง
สภาพการเคลื่อนที่ที่มันได้รับบนระบบเป็นจุด การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่นั้นสามารถระบุจำนวนได้โดย
ความเร่ง (
อนุพันธ์ของ
ความเร็ว) การค้นพบของ
ไอแซก นิวตันที่ว่าแรงจะทำให้เกิดความเร่งโดยแปรผกผันกับปริมาณที่เรียกว่า
มวล ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับอัตราเร็วของระบบ เรียกว่ากฎข้อที่สองของนิวตัน กฎนี้ทำให้เราสามารถทำนายผลกระทบของแรงต่อระบบเป็นจุดใดๆ ที่เราทราบมวล กฎนั้นมักจะเขียนดังนี้
- F = dp/dt = d (m·v) /dt = m·a (ในกรณีที่ m ไม่ขึ้นกับ t)
เมื่อ
- F คือแรง (ปริมาณเวกเตอร์)
- p คือโมเมนตัม
- t คือเวลา
- v คือความเร็ว
- m คือมวล และ
- a=d²x/dt² คือความเร่ง อนุพันธ์อันดับสองของเวกเตอร์ตำแหน่ง x เมื่อเทียบกับ t
ถ้ามวล
m วัดในหน่วย
กิโลกรัม และ
ความเร่ง a วัดในหน่วย
เมตรต่อวินาทีกำลังสอง แล้วหน่วยของแรงคือ กิโลกรัม-เมตร/วินาทีกำลังสอง เราเรียกหน่วยนี้ว่า
นิวตัน: 1 N = 1 kg x 1 m/s²
สมการนี้เป็นระบบของ
สมการอนุพันธ์อันดับสอง สามสมการ เทียบกับเวกเตอร์บอกตำแหน่งสาม
มิติ ซึ่งเป็น
ฟังก์ชันกับเวลา เราสามารถแก้สมการนี้ได้ถ้าเราทราบฟังก์ชัน
F ของ
x และอนุพันธ์ของมัน และถ้าเราทราบมวล
m นอกจากนี้ก็ต้องทราบเงื่อนไขขอบเขต เช่นค่าของเวกเตอร์บอกตำแหน่ง และ
x และความเร็ว
v ที่เวลาเริ่มต้น
t=0
สูตรนี้จะใช้ได้เมื่อทราบค่าเป็นตัวเลขของ
F และ
m เท่านั้น นิยามข้างต้นนั้นเป็นนิยามโดยปริยายซึ่งจะได้มาเมื่อ มีการกำหนดระบบอ้างอิง (
น้ำหนึ่ง
ลิตร) และแรงอ้างอิง (
แรงโน้มถ่วงของ
โลกกระทำต่อมันที่ระดับความสูงของ
ปารีส) ยอมรับกฏข้อที่สองของนิวตัน (เชื่อว่าสมมติฐานเป็นจริง) และวัดความเร่งที่เกิดจากแรงอ้างอิงกระทำต่อระบบอ้างอิง เราจะได้หน่วยของมวล (1 kg) และหน่วยของแรง (หน่วยเดิมเป็น 1
แรงกิโลกรัม = 9.81 N) เมื่อเสร็จสิ้น เราจะสามารถวัดแรงใดๆ โดยความเร่งที่มันก่อให้เกิดบนระบบอ้างอิง และวัดมวลของระบบใดๆ โดยการวัดความเร่งที่เกิดบนระบบนี้โดยแรงอ้างอิง
แรงมักจะไปรับการพิจารณาว่าเป็นปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ แต่ก็ยังมีปริมาณที่เป็นพื้นฐานกว่านั้นอีก เช่น
โมเมนตัม (
p = มวล
m x
ความเร่ง v)
พลังงาน มีหน่วยเป็น
จูล นั้นเป็นพื้นฐานน้อยกว่าแรงและโมเมนตัม เพราะมันนิยามขึ้นจากงาน และงานนิยามจากแรง ทฤษฎีพื้นฐานที่สุดในธรรมชาติ
ทฤษฎีกลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม และ
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไม่มีแนวคิดเรื่องแรงรวมอยู่ด้วยเลย
ถึงแม้แรงไม่ใช่
ปริมาณที่เป็นพื้นฐานที่สุดในฟิสิกส์ มันก็เป็นแนวคิดพื้นฐานที่แรวคิดอื่นๆ เช่น
งาน และ
ความดัน (หน่วย
ปาสกาล) นำไปใช้ แรงในบางครั้งใช้สับสนกับ
ความเค้น
[แก้] ชนิดของแรง
มี
แรงพื้นฐานในธรรมชาติที่รู้จักอยู่สี่ชนิด
ทฤษฎีสนามควอนตัมจำลองแรงพื้นฐานสามชนิดแรกได้อย่างแม่นยำ แต่ไม่ได้จำลอง
แรงโน้มถ่วงควอนตัมเอาไว้ อย่างไรก็ตาม แรงโน้มถ่วงควอนตัมบริเวณกว้าง
สามารถอธิบายได้ด้วย
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
แรงพื้นฐานทั้งสี่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ทั้งหมด รวมถึงแรงอื่นๆ ที่สังเกตได้เช่น
แรงคูลอมบ์ (แรงระหว่าง
ประจุไฟฟ้า)
แรงโน้มถ่วง (แรงระหว่าง
มวล)
แรงแม่เหล็ก แรงเสียดทาน แรงสู่ศูนย์กลาง แรงหนีศูนย์กลาง แรงปะทะ และ
แรงสปริง เป็นต้น
แรงต่างๆ ยังสามารถแบ่งออกเป็น
แรงอนุรักษ์ และแรงไม่อนุรักษ์ แรงอนุรักษ์จะเท่ากับ
ความชันของ
พลังงานศักย์ เช่น
แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และ
แรงสปริง แรงไม่อนุรักษ์เช่น
แรงเสียดทาน และ
แรงต้าน
ตอบข้อ 2
ที่มา
http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%81%E0%B8%A3%E0%B8%87
สืบค้นข้อมูล
การเคลื่อนที่แนวดิ่ง ก็ไม่มีไรมาก ทำเหมือนตอนทำการเคลื่อนที่แนวตรงแหละ เพียงแต่มีข้อที่ต้องระลึกไว้ ในการคำนวณคือ
1.การตกเสรี ความเร่งคือ g
เสมอ (จะเป็น 9.8 m/s
2 หรือ 10 m/s
2 แล้วแต่โจทย์กำหนด)
2.ที่จุดสูงสุด ความเร็วจะต้องเป็ง 0 (สังเกตุจากเมื่อเราโยนวัตถุขึ้นไป พอใกล้ๆ จะสูงสุด มันจะช้าลง พอสูงสุด มันจะนิ่ง แป๊ปนึง นะครับ)
3.อย่าลืมกำหนดทิศทางเวลาคำนวน ที่จะสะดวกที่สุดก็คือ ขึ้นเป็น + ลงเป็นลบ ให้คงค่านี้ไว้แล้วจะไม่งง(แต่ถ้าเราโปรพอแล้ว ก็อาจจะกำหนดว่า ให้ทิศเดียวกะ U เป็น + ก็ได้ ตรงข้ามกับ U เป็น - หมด
อย่าลืมว่าการคิดในนี้ต้องใช้การกระจัด เป็นหลัก ถ้า วัตถุลอยขึ้นแล้วตกถึงพื้น แสดงว่าการกระจัดเป็น 0
(ห้ามใช้ระยะทางคิดเป็นอันขาด)
นอกนั้นก็ไม่มีไรแล้วอ่ะ เราจะเน้นตัวอย่างโจทย์แล้วกัน เพราะมันจะรวมกับ การเคลื่อนที่แนวเส้นตรงได้ด้วย (และบทการเคลื่อนที่แนวดิ่งนี้ ก็จะเป็นพื้นฐานของ โปรเจคไตส์อีก มันจะเกี่ยวเนื่องกันมาก เพราะงั้น ถ้าไม่เข้าใจตั้งแต่เรื่องแรก แน่นอน พังยกแถบ)
1.โยนวัตถุขึ้นไปในอากาศความเร็วต้นเป็น 20 m/s จะขึ้นไปได้สูงสุดเท่าไหร่ (g = 10 m/s)
ถ้าหัดทำใหม่ๆ ควรจะเขียนว่ารู้อะไรบ้าง ลิสต์มาทีละอย่าง เช่นข้อนี้
รู้ 1. ความเร่ง ค่า g ไง 2. ความเร็วตัน U 3.ความเร็วปลาย จุดสูงสุดเป็น 0 นะ(โจทย์มักจะชอบซ่อนเอาไว้ให้งงเล่น)
เห็นมะ รู้ a v u จะหา s ก็น่าจะใช้ v
2 = u
2 + 2as ซึ่งเราจะสามารถหาคำตอบได้เลยจากสมการเดียว
ระวังว่า a จะเป็นลบ เพราะทิศมันลงนะครับ จะได้ s คือ 20 m
หรือไม่ ทำอีกทางก็ได้ ใช้ v
= u+at ใช้ v เป็น 0 u เป็น 20 a เป็น -10 (ทิศลง)
แก้หาเวลาได้ 2 วินาที แล้วเอาไปแทนในนี้ s = ut + 1/2at2 คำตอบที่ได้จะเท่ากันคือ 20 m
ถ้าเกิดสงสัยว่าทำไมลงต้องเป็นลบ ก็อยากจะบอกว่ามันทำให้จำง่ายดี แต่ถ้าเราอยากเล่นแผลงๆ เอาขึ้นเป็นลบก็ได้ จะได้ทำตอบเหมือนกัน
ลองอีกข้อ โยนวัตถุขึ้นไปในอากาศความเร็วต้นเป็น 20 m/s นานเท่าไหร่จึงจะตกถึงพื้นข้อนี้น่าจะใช้ s = ut + 1/2at2 เพราะรู้ทั้ง a u และ s (อย่าลืมว่า s เป็นการกระจัดเพราะงั้น ขึ้นไป แล้วตกลงมา การกระจัดจึงเป็น 0)
แทนค่าลงไป แล้วแก้สมการ 0 = 20t - 5t2 จะได้ว่า 5t(t-4) = 0 เพราะงั้น t = 0,4
แต่ t = 0 เนี่ยคือเวลาที่มันอยู่บนพื้น พอผ่านไป 0 วิมันก็อยู่บนพื้น เพราะงั้นไร้สาระ ไม่ใช้ แต่ให้ใช้ 4 วินาที
(หลักแบบนี้ขอให้เรียนรู้ไว้ เพราะมันจะไปปรากฏอยู่ในบทหน้า โปรเจคไตน์)
โจทย์ง่ายผ่านไปแล้ว ลองโจทย์ยากมั่ง โยนวัตถุขึ้นไปมีความเร็วต้นเป็น u รอให้ขึ้นไปถึงจุดสูงสุด แล้วจึงโยน วัตถุขึ้นไป ความเร็วต้น u อีก ถามว่า วัตถุ 2 ก้อนจะตกลงมาชนกันที่ความสูงเท่าไหร่(กำหนดให้ ความเร่งแนวดิ่งคือ g) ตอบในเทอม g และ u ครับทำลงบอร์ดทีนะ ขอร้อง เราอยากเห็นคนลองคิดอ่ะ ผิดถูกไม่ว่ากัน ลองทำหน่อย
ตอบข้อ 4
ที่มา
http://writer.dek-d.com/Writer/story/viewlongc.php?id=134437&chapter=11
สืบค้นข้อมูล
การเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่าย |
คือการที่วัตถุเคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำรอยเดิม มักจะใช้สัญญลักษณ์ว่า SHM. ตัวอย่างของการเคลื่อนที่แบบนี้ได้แก่ การเคลื่อนที่ของวัตถุที่ถูกผูกติดไว้กับสปริงในแนวราบ แล้ววัตถุเคลื่อนที่ไปมาตามแรงที่สปริงกระทำต่อวัตถุ ซึ่งเขาจะศึกษาการเคลื่อนที่นี้จากรูปที่ 1 ในรูปที่ 1a ตำแหน่ง x = 0 เป็นตำแหน่งสมดุลของปริง หรือ เป็นตำแหน่งที่สปริงมีความยาวตามปกติ ณ ตำแหน่งนี้สปริงจะไม่ส่งแรงมากระทำต่อวัตถุ ในรูปที่ 1a นี้มีวัตถุมวล m ผูกติดกับสปริง วางอยู่บนพื้นที่ซึ่งไม่มีแรงเสียดทาน ที่ตำแหน่งซึ่งปริงยืดออกจากความยาวปกติเป็นระยะทาง A สปริงจะออกแรงดึงวัตถุมวล m กลับมาอยู่ในตำแหน่งสมดุล x = 0 เรียกแรงที่สปริงกระทำต่อวัตถุนี้ว่าแรงดึงกลับ (Restoring force) ถ้า F เป็นแรงดึงกลับนี้จะได้ว่า F = -kx -----(1) แรงดึงกลับมีเครื่องหมายลบ เพราะทิศทางของเวกเตอร์ของแรงกับเวกเตอร์ของการขจัด x มักจะตรงข้ามกันเสมอ ค่า k คือค่านิจของสปริง (spring constant) ในรูปที่ 1 นี้ได้กำหนดให้ทิศทางขวาเป็นบวก ดังนั้นในรูป 1a ตำแหน่ง x = A จึงเป็นบวก ในขณะที่ทิศทางของแรงดึงกลับเป็นลบ และเนื่องจากวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ที่ x = A ความเร็วของวัตถุจึงเป็นศูนย์ เมื่อปล่อยให้วัตถุเคลื่อนที่ตามแรงของสปริง วัตถุจะเคลื่อนที่มาทางซ้าย และในรูปที่ 1b วัตถุผ่านตำแหน่ง x = 0 หรือตำแหน่งสมดุลซึ่งตำแหน่งนี้ แรงที่สปริงกระทำต่อวัตถุจะเป็นศูนย์ แต่อัตราเร็วของวัตถุจะมากที่สุด โดยทิศของความเร็วจะเป็นจากขวาไปซ้าย หรือความเร็วเป็นลบ เนื่องจากพื้นไม่มีแรงเสียดทาน และสปริงก็ไม่ออกแรงมากกระทำต่อวัตถุ ดังนั้นที่ตำแหน่ง x = 0 นี้ วัตถุจึงสามารถรักษาสภาพการเคลื่อนที่ตามกฎข้อที่ 1 ของนิวตันไว้ได้ วัตถุจึงยังคงสามารถเคลื่อนที่ต่อไปทางซ้ายได้ ในขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ไปทางซ้ายนั้น วัตถุก็จะผลักให้สปริงหดสั้นไปจากความยาวเดิมด้วย ดังนั้นสปริงจะพยายามออกแรงดึงกลับไปกระทำต่อวัตถุ เพื่อให้ตัวเองกลับไปสู่ความยาวปกติอีก จนในรูปที่ 1 C แสดงถึงขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ไปทางซ้ายมากที่สุด ความเร็วของวัตถุจะเป็นศูนย์ทิศของแรงดึงกลับจากซ้ายไปขวา หรือเป็นบวก เวกเตอร์ของการขจัดของวัตถุมีทิศจากขวาไปซ้าย และมีขนาดเป็น A ดังนั้นตำแหน่งของวัตถุขณะนี้จึงเป็น x = -A มีข้อน่าสังเกตว่า ขนาดของการขจัดมากที่สุดของวัตถุไม่ว่าจะเป็นทางซ้ายหรือขวาจะเท่ากัน คือเป็น a เนื่องจากในรูป 1c นี้มีแรงมากระทำต่อวัตถุเพียงแรงเดียว คือแรงจากสปริง ซึ่งมีทิศไปทางขวา วัตถุจึงเคลื่อนที่กลับไปทางขวาด้วยอิทธิพลของแรงนี้
รูปที่ 1 ในรูป 1d วัตถุกลับมาที่ตำแหน่งสมดุลของสปริงอีกครั้งหนึ่ง เช่นเดียวกับในรูป 1b แต่ในขณะนี้วัตถุมีความเร็วเป็นบวก หรือไปทางขวาวัตถุจึงยืดสปริงออกไป โดยยืดได้มากที่สุดถึงตำแหน่ง x = A ดังแสดงในรูป 1 e ซึ่งเป็นสถานเดียวกับรูป 1a ดังนั้นการเคลื่อนที่ของวัตถุจึงกลับมาในลักษณะเดิม คือจาก 1a 1b 1c 1d 1e 1a เป็นอย่างนี้เรื่อยไป ซึ่งจะเห็นว่าวัตถุมีการเคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำของเดิม จึงเป็นการเคลื่อนที่แบบ SHM. มีข้อพึงระลึก จากสมการที่ (1) หรือ F = -kx ว่า วัตถุที่เคลื่อนที่แบบ SHM นั้น นอกจากจะเคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำรอยเดิมแล้ว แรงดึงกลับที่กระทำต่อวัตถุยังแปรผันโดยตรงกับการขจัดของวัตถุอีกด้วย ในการศึกษาการเคลื่อนที่แบบ SHM นี้ จะต้องกำหนดปริมาณต่าง ๆ ดังต่อไปนี้ การขจัด (dis placement) คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปได้โดยนับจากจุดสมดุล อัมปลิจูด (amplitude) คือระยะทางมากที่สุดที่วัตถุจะสามารถเคลื่อนที่ไปได้ โดยนับจากจุดสมดุลเช่นเดียวกัน อาจจะพิจารณาได้ว่าอัมปลิจูด ก็คือการขจัดมากที่สุดนั่นเอง คาบ (period) คือเวลาที่วัตถุใช้ในการสั่น 1 รอบ (เช่นจากรูป 1a ถึง 1e ความถี่ (frequency) คือจำนวนรอบที่วัตถุสั่น หรือเคลื่อนที่ได้ใน 1 วินาที จากนิยามเหล่านี้ ถ้า f เป็นความถี่ และ T เป็นคาบ จะได้ว่า T =
พลังงานของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบ SHM. |
ในการยืดหรือหดสปริง จะต้องมีแรงภายนอกไปกระทำต่อสปริงทำให้เกิดงานขึ้น ทั้งนี้เพราะในการยืดหรือหดของสปริงนั้น พลังงานศักย์ ของสปริงจะเพิ่มขึ้น จากนิยามของพลังงานศักย์ที่ว่า "พลังงานศักย์ของวัตถุ ณ จุดใด คืองานที่ใช้ในการเคลื่อนที่วัตถุจากจุดอ้างอิงไปยังจุดนั้น" ถ้า F เป็นแรงที่กระทำต่อสปริงแล้วทำให้สปริงยืด (หรือหด) เป็นระยะทาง x จากตำแหน่งสมดุล จะได้ว่า งานที่ทำต่อสปริง = Fx ถ้าให้ตำแหน่งสมดุลเป็นตำแหน่งอ้างอิง จะได้ว่า พลังงานศักย์ของสปริงที่ตำแหน่ง x ใด ๆ = Fx แต่ในการยืดหรือหดของสปริงนี้ แรงที่กระทำต่อสปริงจะไม่คงที่ โดยจะขึ้นกับระยะทาง ดังนั้นแรง F จึงเป็นแรงเฉลี่ย โดยจะเฉลี่ยระหว่างแรงที่กระทำต่อสปริงที่ตำแหน่ง x = 0 และที่ x ใดๆ นั่นคือ ดังนั้น พลังงานศักย์ของสปริงที่ตำแหน่ง x ใด ๆ เนื่องจาก แรงที่สปริงกระทำต่อวัตถุเป็นแรงอนุรักษ์ ดังนั้นพลังงานทั้งหมด (total energy) ของวัตถุที่เคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงสปริงจึงคงที่ ถ้า E เป็นค่าพลังงานทั้งหมดนี้ จะได้ว่า ที่ตำแหน่ง x ใด ๆ ซึ่งวัตถุมีความเร็วเป็น v ใด ๆ (ดังแสดงในรูป 2d) จะได้ว่า
รูปที่ 2 ในรูปที่ 2 แสดงการเคลื่อนที่ของวัตถุมวล m ที่ผูกติดกับสปริงเคลื่อนที่บนพื้นราบที่ไม่มีแรงเสียดทาน เช่นเดียวกับในรูปที่ 1 ในรูป a วัตถุอยู่ในตำแหน่ง x = A ซึ่งเป็นค่าอัมปลิจูดของการเคลื่อนที่ ณ ตำแหน่งนี้ วัตถุมีความเร็วเป็นศูนย์ จึงมีแต่พลังงานศักย์ซึ่งมีค่ามากที่สุด ในรูป b วัตถุอยู่ในตำแหน่งสมดุล การขจัด x เป็นศูนย์ แต่มีอัตราเร็วมากที่สุด ที่ตำแหน่งนี้จึงมีพลังงานศักย์เป็นศูนย์ แต่มีพลังงานจลน์มากที่สุด ถ้า v0 เป็นอัตราเร็วที่ตำแหน่งนี้จะได้ว่า ในรูป c วัตถุอยู่ในตำแหน่ง x = - A ซึ่งก็เป็นอัมปลิจูดเช่นเดียวกันและเหมือนกับในรูป a ความเร็วของวัตถุเป็นศูนย์ วัตถุจึงมีพลังงานจลน์เป็นศูนย์ ในขณะที่มีพลังงานศักย์มากที่สุด รูป d เป็นตำแหน่งของวัตถุที่ x ใด ๆ วัตถุมีความเร็วเป็น v ใด ๆ ดังที่ได้อธิบายไว้แล้ว จึงได้
ตอบข้อ 3
ที่มา
http://web.ku.ac.th/schoolnet/snet3/supinya/harmonic-mot/harmonic.htm
สืบค้นข้อมูล
พิจารณาลูกตุ้มที่ผูกติดกับเชือกเบา แล้วแกว่งไปมาในแนวดิ่งในทำนองเดียวกับการแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา โดยกำหนดให้ m เป็นมวลของลูกตุ้ม L เป็นความยาวของเส้นเชือก Q เป็นมุมที่เส้นเชือกทำกับแนวดิ่ง จากรูปจะเห็นว่าในขณะที่ลูกตุ้มอยู่ในแนว กับแนวดิ่ง การขจัดจะเป็น x ซึ่งถ้า เป็นมุมเล็ก ๆ จะได้ว่า x = L ดังนั้นการขจัดของวัตถุอาจจะเขียนได้ว่าเป็น x หรือเป็น ก็ได้ เมื่อพิจารณาแรงน้ำหนัก mg ของลูกตุ้ม ก็สามารถแตกแรงนี้ออกเป็น 2 ส่วน คือ mgcos อยู่ในแนวเดียวกับเส้นเชือก และ mg sin ซึ่งอยู่ในแนวเส้นสัมผัส แรง mg sin นี่เองที่เป็นแรงดึงกลับที่กระทำต่อลูกตุ้ม นั่นคือ แรงดึงกลับ = F = mg sin ในขณะที่ ระยะทางของวัตถุ = x = LQ ดังนั้น แรงดึงกลับจึงไม่แปรผันโดยตรงกับระยะทาง การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกาไม่น่าเป็น SHM แต่ถ้ามุม มีค่าน้อย ๆ จะได้ว่าในหน่วยเรเดียน sin = ดังนั้น แรงดึงกลับ = F = mg ระยะทาง = x = LQ จึงได้ว่า แรงดึงกลับเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะทางแล้ว นั่นคือ การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกาที่มีมุม น้อย ๆ จึงเป็น SHM พิจารณาแรงดึงกลับ F = mg จากรูป เมื่อ น้อย ๆ จะได้ = ดังนั้น F = mg จากกฎข้อ 2 ของนิวตัน F = ma ดังนั้น ความเร่งของตุ้มนาฬิกา = a = เนื่องจากการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มเป็น SHM ดังนั้น a = 2x นั่นคือ 2x = g หรือ 2 = = โดย w เป็นความถี่เชิงมุม (angular frequency) = 2f ดังนั้น = 2f = f = = ความถึ่ของการแกว่งของลูกตุ้ม T = = 2 = คาบของการแกว่งของลูกตุ้ม
ตอบข้อ 2
ที่มา
http://web.ku.ac.th/schoolnet/snet3/supinya/harmonic-pen/pendulum.htm
สืบค้นข้อมูล
พอมีความเที่ยงตรงพอสมควร สำหรับการทำงานในระบบ ความถี่ต่ำ เภทที่ใช้ความถี่ต่ำในระบบที่ใช้ไฟ 50 หรือ 60 Hz (พวกมอเตอร์ทั้งหลาย)
การเพิ่มหรือลดกำลังไฟฟ้าเข้าสู่ระบบจะมีทั้งการเพิ่มแรงดัน ด้วยการเพิ่ม Exciter และ เพิ่มความเร็วรอบ โดยเพิ่มรอบให้ไฟออกมากขึ้น ซึ่งจะจ่ายไฟจากตัวนั้นมากขึ้นแต่ความถี่ก็จะสูงขึ้น หากมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพียง 2 ตัว การถ่ายโหลด ที่จะทำให้ความถี่ไม่เปลียน
คือเร่งความเร็วตัวที่จะเอาไปแทนขึ้น ขณะเดียวกับลดความเร็วของตัวที่จะปลดออก ลง ความถี่จึงจะยังคงที่
ในระบบใหญ่ๆก็คงเป็นลักษณะเดียวกัน แต่เครื่องกำเนิดอยู่คนละแห่งในการทำให้สำพันธ์กันจึงไม่ใช่ง่ายนัก
และยังขึ้นกับจำนวนภาระ (Load) ที่ใช้ไฟอยู่ด้วย หากมีการเปลียนแปลงภาระมากๆในเวลาเดียวกัน ก็จะทำให้ความถี่ตกลงไปด้วย
ในห้องควบคุมจะมีนาฬิกาสองเรือนที่เดินด้วยมอเตอร์แบบความเร็วคงที่(เปลี่ยนตามความถี่)เรือนหนึ่ง
และเดินด้วยแร่ Crytal ที่เที่ยงตรงกว่าและจะคอยปรับความถี่ของระบบให้นาฬิกาสองเรือนเดินตรงกัน ไม่ให้ผิดแม้แต่เสี้ยวของวินาที
ทำให้ค่าเฉลี่ยของระบบในระยะยาวๆเที่ยงตรง ใช้ได้ เสมอ
สรุปคงไม่ดีพอที่จะไปใช้สอบเทียบกับเครื่องมือที่ใช้ความถี่ สูงๆได้
เพราะ +/- 0.01 % ของ 50 Hz ก็เพียง เล็กน้อยเท่านั้น แต่หาก 0.01 % ของความถี่สูง เช่น 5 ล้าน Hz ก็คงมากโขอยู่
ตอบข้อ 4
ที่มา
http://www.vcharkarn.com/include/vcafe/showkratoo.php?Pid=31704
สืบค้นข้อมูล
การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ (Projectile) คือการเคลื่อนที่ในแนวโค้งพาราโบลา ซึ่งเกิดจากวัตถุได้รับความเร็วใน 2 แนวพร้อมกัน คือ ความเร็วในแนวราบและความเร็วในแนวดิ่ง ตัวอย่างของการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ ได้แก่ ดอกไม้ไฟ น้ำพุ การเคลื่อนที่ของลูกบอลที่ถูกเตะขึ้นจากพื้น การเคลื่อนที่ของนักกระโดดไกล กาลิเลโอ เป็นคนแรกที่อธิบายการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ได้อย่างละเอียด เขาได้อธิบายว่าถ้าจะศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุแบบโพรเจกไทด์ได้อย่างละเอียดนั้น ต้องแยกศึกษาส่วนประกอบในแนวราบ และ ในแนวดิ่งอย่างอิสระไม่เกี่ยวข้องกัน กาลิเลโอได้อธิบายว่า การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ เป็นการเคลื่อนที่ที่ประกอบด้วยการเคลื่อนที่ในสองแนวไม่ใช่แนวเดียว โดยในแนวดิ่งจะมีแรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกกระทำต่อวัตถุให้เคลื่อนที่ลงด้วยความเร่ง 9.8 m/s2 และในเวลาเดียวกับที่วัตถุถูกดึงลง โพรเจกไทล์ก้ยังคงเคลื่อนที่ตรงในแนวราบด้วย ( หลักความเฉื่อยของกาลิเลโอ Galilao's pricipal Inertia ) เขาแสดงให้เห็นว่า โพรเจกไทล์นั้นได้ จะประกอบด้วยการเคลื่อนที่ 2 แนว พร้อม ๆกัน โดยในแต่ละแนวนั้นจะเคลื่อนที่อย่างอิสระไม่เกี่ยวข้องกัน และยังพบว่าเส้นทางการเคลื่อนที่ของโพรเจกไทล์จะเป็นรูปเรขาคณิต ที่เรียกว่า "พาราโบลา
ตอบข้อ3
สืบค้นข้อมูล
รูปที่ 1 ให้ vo เป็นอัตราเร็วของ P ที่เคลื่อนที่รอบวงกลม อัตราเร็วของ Q จะเท่ากับองค์ประกอบ (component) ของความเร็วของ P ในแนวดิ่ง นั่นคือ อัตราเร็วของ Q หรืออัตราเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบ SHM เป็น vocos หรือ vocos2ft นั่นเอง ถ้า P มีความเร็วเชิงมุมเป็น เรเดียน/วินาที และเพราะว่า A เป็นรัศมีของวงกลม จากการศึกษาการเคลื่อนที่เป็นวงกลมจะได้ว่า = vo/R หรือ vo = R ดังนั้นอัตราเร็วของ SHM = vocos2ft = R cos2ft สำหรับอัตราเร่งนั้น เนื่องจาก P เคลื่อนที่เป็นวงกลม จึงมีทิศของความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง และความเร่งของ Q ก็เป็นองค์ประกอบในแนวดิ่งของความเร่งของ P รูปที่ 2 ถ้า ao เป็นอัตราเร่งของ P aosin ก็เป็นอัตราเร่งของ Q เพราะว่า P มีความเร็วเชิงมุมเป็น เรเดียน/วินาที และมีรัศมีเป็น A จึงได้ว่า ao = w2A ดังนั้น อัตราเร่งของ SHM = aosin = aosin2ft = 2A sin2ft ค่า ในการเคลื่อนที่แบบ SHM เรียกว่า ความถี่เชิงมุม (angular frequency) โดยมีความสัมพันธ์กับความถี่ (frequency) ดังนี้ = 2f
ข้อสังเกต เมื่อพิจารณาทิศทางของความเร็ว และความเร่งของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบ SHM แล้ว จะเห็นว่าปริมาณทั้งสองมีทิศสวนกันเสมอ ทั้งนี้เพราะแรงที่กระทำต่อวัตถุจะมีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ
ตอบข้อ 1
สืบค้นข้อมูล
อัตราเร็ว (สัญลักษณ์:
v) คืออัตราของ
การเคลื่อนที่ หรือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของตำแหน่งก็ได้ หลายครั้งมักเขียนในรูป
ระยะทาง d ที่เคลื่อนที่ไปต่อ
หน่วย ของ
เวลา t
อัตราเร็ว เป็น
ปริมาณสเกลาร์ที่มี
มิติเป็น
ระยะทาง/
เวลา ปริมาณ
เวกเตอร์ที่เทียบเท่ากับอัตราเร็วคือ
ความเร็ว อัตราเร็ววัดในหน่วยเชิงกายภาพเดียวกับความเร็ว แต่อัตราเร็วไม่มีองค์ประกอบของทิศทางแบบที่ความเร็วมี อัตราเร็วจึงเป็นองค์ประกอบส่วนที่เป็น
ขนาดของความเร็ว
ในรูปสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ อัตราเร็วคือ
-
หน่วยของอัตราเร็ว ได้แก่
-
- มัค 1 ≈ 343 m/s ≈ 1235 km/h ≈ 768 mi/h (ดู อัตราเร็วเสียง สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม)
-
- c = 299,792,458 m/s
-
- 1 m/s = 3.6 km/h
- 1 mph = 1.609 km/h
- 1 knot = 1.852 km/h = 0.514 m/s
ยานพาหนะต่าง ๆ มักมี
speedometer สำหรับวัดอัตราเร็ว
วัตถุที่เคลื่อนที่ไปตามแนวราบ พร้อม ๆ กับแนวดิ่ง (เช่น
อากาศยาน) จะแยกประเภทเป็น
forward speed กับ
climbing speed
ตอบข้อ3
สืบค้นข้อมูล
การค้นพบประจุไฟฟ้านั้นสามารถสืบย้อนกลับไปได้ถึงยุคกรีกโบราณ โดยในช่วง 600 ปีก่อนคริสต์ศักราช
เทลีส แห่งไมเลตัส นักปราชญ์ชาวกรีก ได้กล่าวถึงการสะสมของประจุไฟฟ้าจากการขัดถูวัสดุหลายชนิด เช่น
อำพัน กับ
ผ้าขนสัตว์ วัสดุที่สะสมประจุเหล่านี้สามารถดึงดูดวัตถุที่มีน้ำหนักเบา เช่น เส้นผม ได้ ยิ่งไปกว่านั้น หากวัสดุเหล่านี้ถูกขัดถูเป็นเวลานานพอ จะทำให้เกิดประกายไฟ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจาก
ไฟฟ้าจากการขัดถู (triboelectric effect) คำภาษาอังกฤษ
electricity มาจากคำในภาษากรีก
ηλεκτρον (electron) ซึ่งหมายถึง อำพัน
ในปี ค.ศ. 1733
ดูเฟย์ (C. F. Du Fay) ได้เสนอ
[1] ว่าไฟฟ้านั้นมีอยู่ 2 ชนิดซึ่งหักล้างกัน โดยนำเสนอในรูปทฤษฎีของของไหลสองชนิด เขาได้เสนอว่าเมื่อถูแก้วกับผ้าไหม แก้วจะมีประจุที่เรียกว่า
ไฟฟ้าวิเทรียส (vitreous electricity) ส่วนเมื่อถูอำพันกับผ้าขนสัตว์ อำพันจะมีประจุที่เรียกว่า
ไฟฟ้าเรซินัส (resinous electricity)
ต่อมาในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 18 การศึกษาเกี่ยวกับไฟฟ้านั้นเริ่มแพร่หลายมากขึ้น โดยที่
เบนจามิน แฟรงกลิน ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เชี่ยวชาญในยุคนั้นไม่เห็นด้วยกับทฤษฎีของไหลสองชนิด เขาได้ตั้งข้อโต้แย้งให้การสนับสนุน ทฤษฎีของไหลชนิดเดียว โดยจินตนาการไฟฟ้าเป็นเสมือนของไหลที่ไม่สามารถมองเห็นได้ และมีอยู่ในสสารทุกชนิด เช่น ในกรณีของ
ไหไลเดน (Leyden jar) นั้น เนื้อแก้วเป็นส่วนที่เก็บสะสมประจุ เขาได้ตั้งสมมุติฐานว่า การขัดถูผิวของวัตถุฉนวนต่างชนิด ทำให้ของไหลที่ว่านี้เกิดการไหลเปลี่ยนตำแหน่งเกิดเป็นกระแสไฟฟ้า นอกจากนั้นแล้วเขายังได้ตั้งสมมุติฐานว่า หากวัตถุมีของเหลวนี้น้อยเกินไปจะทำให้มีค่าประจุเป็นลบ ถ้าหากมีมากเกินไปจะมีค่าประจุเป็นบวก ด้วยเหตุผลที่ไม่เป็นที่แน่ชัด แฟรงกลินได้ ระบุว่า ค่าประจุบวก คือ ไฟฟ้าวิเทรียส และ ค่าประจุลบ คือ ไฟฟ้าเรซินัส ซึ่ง
วิลเลียม วัตสันก็ได้ค้นพบข้อสรุปเดียวกันนี้ในช่วงเวลาที่ใกล้เคียงกัน
แบบจำลองของ แฟรงกลินและวัตสัน นั้นใกล้เคียงกับแบบจำลองในปัจจุบันซึ่งมีความซับซ้อนมากกว่า ในปัจจุบันเราทราบว่าสสารนั้นจริงๆ แล้วประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุอยู่หลายชนิด เช่น โปรตอน และ อิเล็กตรอน และ
กระแสไฟฟ้านั้นก็เกิดได้หลายแบบ เช่น เกิดจากการไหลของอิเล็กตรอน เกิดจากการไหลของสิ่งที่เรียกว่า "โฮล" (ของอิเล็กตรอน) ซึ่งทำตัวเสมือนประจุบวก และในสารละลาย
อิเล็กโตรไลท์นั้น เกิดจากการไหลของอนุภาคที่เรียกว่า
อิออน สองชนิดคือ อิออนบวก และ อิออนลบ เพื่อความสะดวกในการทำงาน ผู้ที่ทำงานเกี่ยวกับไฟฟ้าในปัจจุบันนั้นก็ยังใช้แบบจำลองกระแสไฟฟ้าของแฟรงกลิน โดยจำลองกระแสไฟฟ้าเป็นการไหลของประจุบวกเท่านั้น (เรียกว่า
กระแสแบบดั้งเดิม) ถึงแม้แบบจำลองอย่างง่ายนี้ช่วยลดความซับซ้อนในการทำความเข้าใจหลักการทางไฟฟ้า และ การคำนวณ ต่างๆ แต่ก็ทำให้มองข้ามข้อเท็จจริงที่ในสารตัวนำบางชนิด (เช่น อิเล็กโตรไลท์
สารกึ่งตัวนำ และ
พลาสมา) นั้นมีการไหลของอนุภาคที่มีประจุอยู่หลายประเภท และนอกจากนั้นแล้ว ทิศทางการไหลของกระแสแบบดั้งเดิมนี้ ก็สวนทางกับทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนในโลหะซึ่งใช้เป็นตัวนำ ซึ่งทำให้เกิดความสับสนสำหรับผู้เริ่มศึกษาอิเล็กทรอนิกส์
[แก้] คุณสมบัติ
นอกจากคุณสมบัติทาง
แม่เหล็กไฟฟ้าที่กล่าวข้างต้นแล้ว ประจุยังเป็นคุณสมบัติที่ไม่เปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ (ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ) คือ หากอนุภาคมีประจุ q ไม่ว่าประจุนั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไร ก็จะยังมีประจุ q คุณสมบัตินี้ได้รับการยืนยันโดยการแสดงให้เห็ว่า ค่าประจุในหนึ่งนิวเคลียสของฮีเลียม (มี 2 โปรตอน และ 2 นิวตรอนในนิวเคลียสของฮีเลียม และเคลื่อนที่ไปมาด้วยความเร็วสูง) มีค่าเท่ากับประจุของนิวเคลียส 2 นิวเคลียสของ
ดิวเทอเรียม (ซึ่งมี โปรตอน และ นิวตรอน อย่างละหนึ่งตัวในนิวเคลียส และ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าที่อยู่ในนิวเคลียสของฮีเลียมมาก)
[แก้] กฎการอนุรักษ์ของประจุ
ประจุทั้งหมดของระบบโดดเดี่ยว (isolated system) มีค่าคงที่เสมอ โดยไม่ขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงของประจุภายในระบบ กฎดังกล่าวเป็นจริงในทุกกระบวนการทางฟิสิกส์ และสามารถเขียนในรูปสมการทางคณิตศาสตร์ได้จาก
สมการของแมกซ์เวลล์ เรียก
สมการของความต่อเนื่อง (continuity equation) ซึ่งระบุว่า การเปลี่ยนแปลงรวมของ
ความหนาแน่นประจุ (charge density)
ρ ในปริมาตร
V มีค่าเท่ากับ
ความหนาแน่นกระแส(current density)
J รวม ที่ผ่านพื้นผิว
S ของปริมาตรนั้น ซึ่งก็คือกระแส
I:
-