fbpx

ฟิสิกส์ สมดุลกล

สมดุลกล

สรุปเนื้อหาเรื่อง สมดุลกล คืออะไร

สมดุลกล (mechanical equilbrium) หรือ สมดุล (equilibrium) หมายถึง วัตถุที่รักษาสภาพการเคลื่อนที่ให้คงเดิม หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งคือ วัตถุอยู่นิ่ง หรือ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

สมดุลกลสามารถแยกได้เป็น 2 แบบ คือ

  1. สมดุลสถิต (static equilibrium หมายถึง วัตถุที่อยู่นิ่งและไม่มีการหมุน เช่น สมุดวางอยู่บนโต๊ะ
  2. สมดุลจลน์ (dynamic equilibrium) หมายถึง วัตถุที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว หรือมีการหมุนด้วยอัตราเร็วคงตัว เช่น ลังไถลลงมาตามพื้นเอียง

ทั้งนี้ คำว่าสมดุลจลน์ มีสองความหมายคือ หมายถึงสมดุลของวัตถุที่เคลื่อนที่แนวตรงด้วยความเร็วคงตัวแล้ว และหมายถึงสมดุลของวัตถุที่หมุนรอบแกนเดิมด้วยอัตราเร็วคงตัว

 

ศูนย์กลางมวลและศูนย์ถ่วง คืออะไร

  • จุดศูนย์กลางมวล (center of mass, C.M.) คือ จุดที่เปรียบเสมือนเป็นจุดรวมมวลของวัตถุทั้งก้อน ซึ่งอยู่ประจำที่แน่นอนและไม่ขึ้นกับสถานที่ และอาจไม่อยู่ภายในเนื้อของวัตถุ เช่น ศูนย์กลางมวลของวงแหวน
  • จุดศูนย์ถ่วง (center of gravity, C.G.) คือ จุดที่แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อวัตถุ เป็นจุดเสมือนเป็นที่รวมของน้ำหนักของวัตถุ

สำหรับวัตถุที่อยู่ในบริเวณที่สนามโน้มถ่วงมีค่าสม่ำเสมอ ศูนย์ถ่วงของวัตถุและศูนย์กลางมวลเป็นตำแหน่งเดียวกัน

 

ลักษณะของสมดุล แบ่งออกเป็น 3 ลักษณะ คือ

  1. สมดุลต่อการเคลื่อนที่ (translation equilibrium) คือ การสมดุลที่วัตถุอยู่นิ่ง ๆ หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว

ΣF = 0

โดยในการคำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการที่วัตถุอยู่ในสมดุลต่อการเลื่อนที่และอยู่นิ่ง สามารถแยกพิจารณาได้ดังนี้ คือ

  • กรณีมีแรงสองแรงกระทำ แรงทั้งสองจะต้องมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้ามกัน และแนวแรงผ่านศูนย์กลางมวล
    • สมดุลที่เกิดจากแรง 2 แรง คือ เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ 2 แรงแล้ว วัตถุสมดุลต่อการเคลื่อนที่ (อยู่นิ่งหรือเคลื่อนด้วยความเร็วคงตัว) ดังรูป แรงทั้งสองจะมีความสัมพันธ์กันคือ แรงทั้งสองต้องมีขนาดเท่ากัน ต้องมีทิศทางตรงกันข้ามและอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน และแรงลัพธ์ของแรงทั้งสองเท่ากับศูนย์

ฟิสิกส์ สมดุลกล ฟิสิกส์ สมดุลกล

  • กรณีมีแรงสามแรงกระทำ สามารถแบ่งได้เป็นกรณีย่อยอีกสองกรณีคือ
    • กรณีที่แรงอยู่ในแนวเดียวกัน ผลรวมของแรงที่มีทิศตรงข้ามกันต้องมีขนาดเท่ากัน
    • กรณีที่แรงไม่อยู่ในแนวเดียวกันแต่อยู่ในระนาบเดียวกัน แนวแรงทั้งสามต้องพบกันที่จุด ๆ หนึ่ง
  • กรณีที่มีแรงมากกว่าสามแรงกระทำ จะเกิดเมื่อผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุมีค่าเท่ากับศูนย์ โดยที่แรงแต่ละแรงไม่อยู่ในแนวเดียวกัน ถ้านำเวกเตอร์แทนแรงทั้งหมดมารวมกันด้วยวิธีหางต่อหัวเวกเตอร์ จะได้เป็นรูปหลายเหลี่ยมปิด

2. สมดุลต่อการหมุน (absolute equilibrium) คือ วัตถุมีอัตราการหมุนคงตัวผลรวมของโมเมนต์

ΣM = 0

ข้อควรรู้

  • โมเมนต์ของแรง (moment of forces) เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ นอกจากจะทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนตำแหน่งแล้ว บางครั้งยังทำให้วัตถุเกิดการหมุนด้วยโดยผลหมุนของวัตถุจะเรียกว่า โมเมนต์ (moment) หรือ ทอร์ค (torque) โดยหาได้จาก

โมเมนต์ของแรง = แรง x ระยะทางที่ลากจากหมุนไปตั้งฉากกับแนวแรง

หรือ

M = F x L

  • โมเมนต์เป็นปริมาณเวกเตอร์ เพื่อความสะดวกและง่ายในการคำนวณ จึงคิดเฉพาะขนาดของโมเมนต์ของแรงกับทิศทางตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา
  • เงื่อนไขสมดุลต่อการหมุน คือ ถ้าวัตถุอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุนจะได้ “ผลรวมทางพืชคณิตของโมเมนต์รอบจุดหมุนหนึ่งมีค่าเป็นศูนย์” ซึ่งเขียนเป็นสมการได้ว่า

ΣM = 0

หรือผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา = ผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา

ΣMตาม = ΣMทวน

3. สมดุลสัมบูรณ์ (absolute equilibrium) คือ การสมดุลที่มีทั้งสมดุลต่อการเลื่อนตำแหน่งและสมดุลต่อการหมุนและเงื่อนไขของสมดุล

ΣF = 0 และ ΣM = 0

หมายเหตุ :
F คือ แรง หน่วยเป็น N
M คือ โมเมนต์ หน่วยเป็น N•m

 

ตัวอย่างข้อสอบเรื่อง สมดุลกล

1. ออกแรงขนาด F ขนานกับพื้นเอียง 30 องศา ผลักกล่องมวล 10.0 กิโลกรัม ดังรูป ถ้าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างกล่องและพื้นเอียงเท่ากับ 0.4 จงหาว่าขนาดของแรง F ในข้อใดที่ทำให้กล่องไม่เคลื่อนที่ (กำหนดให้ g = 10 เมตรต่อวินาที

ก. 14 นิวตัว
ข. 12 นิวตัน
ค. 80 นิวตัน
ง. 87 นิวตัน

2. จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ แล้วเลือกคําตอบที่ถูกที่สุด
A. สําหรับผิวคู่หนึ่ง ๆ แรงเสียดทานสถิตมีค่ามากกว่าแรงเสียดทานจลน์เสมอ
B. วัตถุที่มีขนาด อยู่ในสภาพสมดุลอย่างสมบูรณ์เมื่อแรงลัพธ์ที่กระทําเป็นศูนย์
C. ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทําต่อวัตถุมีค่าเป็นศูนย์ วัตถุจะรักษาสภาพอยู่นิ่งหรือสภาพเคลื่อนที่อยู่
สม่ำเสมอในแนวเส้นตรง เพราะวัตถุมีความเฉื่อย
D. วัตถุก้อนหนึ่งแขวนอยู่นิ่งกับตาชั่งสปริง แรงคู่ปฏิกิริยาของนํ้าหนักของวัตถุก้อนนี้คือแรงที่ตาชั่งกระทําต่อวัตถุ

ก. ข้อ A, B, C ถูก
ข. ข้อ B, C, D ถูก
ค. ข้อ C ถูก
ง. ข้อ D ถูก

3. ในทางฟิสิกส์ สภาพสมดุลที่สมบูรณ์ของวัตถุใด ๆ คือ

ก. แรงลัพธ์ของแรงคู่ควบ มีค่าเป็นศูนย์ แต่ผลรวมของโมเมนต์ของแรงคู่ควบเท่ากับผลคูณของขนาดของแรงหนึ่งกับระยะตั้งฉากระหว่างแนวแรงทั้งสอง
ข. เมื่อตําแหน่งที่ออกแรงกระทําผ่านแนวของจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุนั้น
ค. ผลรวมของแรงต่าง ๆ ที่กระทําต่อวัตถุเป็นศูนย์ และผลรวมทางคณิตศาสตร์ของโมเมนต์เป็นศูนย์
ง. วัตถุนั้นจะต้องอยู่ในสภาพที่ไม่มีถูกแรงใด ๆ มากระทําเลย

4. เมื่อแรงสามแรงซึ่งไม่อยู่ในแนวเดียวกันกระทำต่อวัตถุ แล้ววัตถุอยู่ในสภาพสมดุล ข้อความใดกล่าวถูกต้อง

ก. แนวแรงทั้งสามต้องพบกันที่จุดๆหนึ่ง
ข. แรงทั้งสามอยู่ในระนาบเดียวกัน
ค. ผลรวมของแรงคู่ใดคู่หนึ่งจะมีขนาดเท่ากับแรงที่สาม แต่มีทิศทางตรงข้ามกัน
ง. ถูกทั้ง ข้อ 1 2 และ 3

5. ข้อความใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับ C.G และ C.M.

ก. จุด C.G. เป็นจุดซึ่งเสมือนรวมมวลของวัตถุทั้งก้อน
ข. จุด C.M. ของลูกปิงปองอยู่ภายในเนื้อของวัตถุ
ค. จุด C.M. ของแผ่นรูปสี่เหลี่ยมคางหมูอยู่ที่จุดตัดของเส้นทแยงมุม
ง. จุด C.M.และ C.G. ไม่จำเป็นต้องอยู่ที่เดียวกันเสมอไป

 

ฟิสิกส์ ม. ปลาย ต้องเรียนเรื่องอะไรบ้าง

การเรียนฟิสิกส์ ม.ปลาย ตั้งแต่ฟิสิกส์ ม.4 ฟิสิกส์ ม.5 หรือ ฟิสิกส์ ม.6 นอกจากเรื่องสมดุลกลที่จะต้องเจอแล้ว การเรียนวิชานี้ยังครอบคลุมไปถึงเรื่องอื่น ๆ ด้วย ไม่ว่าจะเป็นเรื่องกฎนิวตัน, การเคลื่อนที่แนวตรง, การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ, โมเมนตัม, งานและพลังงาน, การหมุน, แรงและกฏการเคลื่อนที่, การเคลื่อนที่แนวโค้ง, การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย, คลื่นกล, คลื่นเสียง, แสง, ของไหล, ความร้อน, ของแข็งและของไหล, ไฟฟ้าสถิต, ไฟฟ้ากระแสตรง, สนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้า, ไฟฟ้ากระแสสลับ, ฟิสิกส์อะตอม, ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอื่น ๆ ดังนั้น ใครที่กำลังเตรียมตัวจะเลือกเรียนสายวิทย์ หรือกำลังเรียนสายวิทย์อยู่ ก็จะต้องเจอกับการเรียนเรื่องต่าง ๆ เหล่านี้อย่างแน่นอน

 

ครู ฟิสิกส์

 

คอร์สเรียน Private ตัวต่อตัว

เป็นคอร์สเรียนที่ผู้เรียนสามารถออกแบบการเรียนให้เหมาะกับตัวเองได้เป็นอย่างดี ไม่ว่าจะเรียนเพื่อติวสอบปลายภาค, ติวเพิ่มเกรด, กวดวิชาเข้ามหาวิทยาลัย ก็สามารถเลือกได้ตามแบบที่เราต้องการได้ด้วยหลักสูตรจำนวน 10 ชม. แต่หากใครที่พื้นฐานอ่อนหรืออยากมาเรียนเนื้อหาล่วงหน้าก็สามารถเพิ่มชั่วโมงเรียนให้เหมาะสมกับเราได้

 

เรียน ติว ฟิสิกส์ สมดุลกล ตัวต่อตัว
จำนวนนักเรียน จำนวนชั่วโมง

10 ชม.

20 ชม.

30 ชม.

40 ชม.
1 คน 8,000 ฿ 16,000 ฿ 24,000 ฿ 32,000 ฿
2 คน
( ประหยัดถึง 25% )
12,000 ฿ 24,000 ฿ 36,000 ฿ 48,000 ฿
3 คน
( ประหยัดถึง 40% )
14,400 ฿ 28,800 ฿ 43,200 ฿ 57,600 ฿
แถมฟรี 2 ชม. แถมฟรี 4 ชม.
หมายเหตุ :
คอร์สเรียนส่วนตัวออนไลน์ ผ่านทาง Zoom ผู้เรียนสามารถเลือกวันและเวลา เรียนเองได้