แรงและแผนภาพวัตถุอิสระ
| English | ไทย |
|---|---|
| force/fɔːs/ | แรง |
| free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ | แผนภาพวัตถุอิสระ |
| newton/ˈnjuːtn/ | นิวตัน |
| weight/weɪt/ | น้ำหนัก |
| normal force/ˈnɔːml fɔːs/ | แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก |
| tension/ˈtenʃn/ | แรงตึง |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | แรงเสียดทาน |
| net force/net fɔːs/ | แรงลัพธ์ |
การผลักและดึงทั้งหมด ในแผนภาพเดียวที่ชัดเจน
- หนังสือบนโต๊ะกำลังทำอะไรเลย — แต่มีหลายแรงกระทำต่อมันพร้อมกัน
- แรงโน้มถ่วงดึงลง; โต๊ะดันขึ้น; มืออาจยัดให้มันเลื่อนข้าง
- เพื่อการวิเคราะห์ที่ชัดเจน นักฟิสิกส์จะตัดสิ่งอื่นออกเหลือเพียง แรง ที่กระทำต่อวัตถุนั้น
- ผลลัพธ์ที่ได้คือ แผนภาพร่างกายอิสระ — ซึ่งเป็นร่างภาพที่มีประโยชน์ที่สุดในกลศาสตร์
แรงคืออะไร
- แรง คือการผลักหรือการดึง — เป็นเวกเตอร์ วัดในหน่วย นิวตัน ($\text{N}$).
- มันมีทั้งขนาด และ ทิศทาง ดังนั้นแรงจึงบวกกันแบบเวกเตอร์ ไม่ใช่ตัวเลขธรรมดา
- แรงเกิดขึ้นจากการ ปฏิสัมพันธ์ ระหว่างวัตถุสองชิ้นเสมอ
- $1\ \text{N}$ ประมาณเท่ากับน้ำหนักของแอปเปิ้ลผลเล็กหนึ่ง
หน่วย SI ของแรงคืออะไร?
แรงวัดได้ใน นิวตัน ($\text{N}$) จูลวัดพลังงาน วัตต์วัดกำลัง ปาสคาลวัดความดัน
ตัวต้องสงสัยทั่วไป
- น้ำหนัก $mg$ — แรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วง ชี้ตรงลงเสมอ
- แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก $N$ — พื้นผิวที่ดัน ตั้งฉาก กับตัวมันเอง
- แรงตึงเชือก $T$ — การดึงตามแนวเชือกหรือสาย
- แรงเสียดทาน $f$ — พื้นผิวที่ต้านการลื่นไถล ตามแนวพื้นผิว
แรงใดที่ всегда ตั้งฉาก กับพื้นผิวที่วัตถุ resting อยู่?
แรงปกติ นิยามเป็นการผลักของพื้นผิวที่ตั้งฉากกับตัวเอง แรงเสียดทานวิ่งขนานกับพื้นผิว
การวาดแผนภาพร่างกายอิสระ
- ห่อหุ้มวัตถุให้เป็น จุด และวาดแรงทุกตัวเป็นลูกศร จาก จุดนั้น
- รวมเฉพาะแรงที่กระทำ ต่อ วัตถุ — ห้ามรวมแรงที่วัตถุกระทำต่อสิ่งอื่น
- ชี้ลูกศรแต่ละตัวไปในทิศทางที่ถูกต้อง; ลูกศรที่ยาวกว่า = แรงที่ใหญ่กว่า
- จากนั้น แรงสุทธิ คือผลรวมเชิงเวกเตอร์ของแรงทั้งหมด
สร้างแผนภาพวัตถุอิสระ
เปลี่ยนแรงที่กระทำ แรงเสียดทาน และมวล แล้วดูลูกศรแรงและแรงลัพธ์ตอบสนองอย่างไร
แผนภาพวัตถุอิสระควรรวมถึงแรงที่วัตถุกระทำต่อวัตถุอื่น
แผนภาพวัตถุอิสระแสดงเฉพาะแรงที่กระทำ บน วัตถุที่เลือก ไม่เคยแสดงแรงที่มันกระทำต่อผู้อื่น
บล็อกถูกดันไปตามโต๊ะหยาบ เลือก ทุก แรงที่เหมาะกับแผนภาพวัตถุอิสระของมัน
แรงสี่ตัวกระทำต่อบล็อก แรงที่บล็อกกระทำต่อโต๊ะกระทำต่อ โต๊ะ ดังนั้นจึงถูกตัดออก
การบวกแรงเข้าด้วยกัน
- บวกแรง แยกตามองค์ประกอบ เหมือนกับเวกเตอร์อื่นๆ
- หาก它们在สมดุล แรงสุทธิจะเป็นศูนย์และวัตถุจะคงความเร็วไว้ได้
- หาก它们在ไม่สมดุล แรงสุทธิที่เหลืออยู่จะทำให้เกิดการเร่ง (ในบทเรียนถัดไป)
- ต้องถามเสมอว่า: แรงสุทธิ คืออะไร และมีทิศทางไปทางไหน?
กล่องรับแรง $10\ \text{N}$ ไปทางขวาและ $4\ \text{N}$ ไปทางซ้าย แรงลัพธ์ในแนวราบคือเท่าไหร่ใน $\text{N}$?
กำหนดให้ทางขวาเป็นบวก: $10 - 4 = 6\ \text{N}$ ไปทางขวา
แรงสุทธิบนวัตถุคือผลรวม ____ ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อมัน
แรงมีทิศทาง ดังนั้นจึงรวมกันเป็นผลรวม เวกเตอร์ ไม่ใช่ผลรวมเลขคณิตธรรมดา
แรงตั้งฉาก ไม่ใช่ เสมอว่าเท่ากับน้ำหนัก บนทางลาด หรือเมื่อมีบางสิ่งกดลงหรือยกขึ้นที่วัตถุ, $N$ จะเปลี่ยนไป อย่าสันนิษฐาน $N = mg$ — ให้คำนวณจากแรงที่ตั้งฉากกับพื้นผิว
crate รู้สึกถึงแรง $F = 10\ \text{N}$ ไปทางขวา และแรงเสียดทาน $f = 4\ \text{N}$ ไปทางซ้าย
- แรงสุทธิแนวนอน $= 10 - 4 = 6\ \text{N}$, ไปทางขวา
- แนวตั้ง, $N$ และ $mg$ สมดุลกัน ดังนั้น crate จึงยังคงอยู่บนพื้น
แรง (ในหน่วยนิวตัน) คือการผลักหรือดึงจากการมีปฏิสัมพันธ์ แผนภาพร่างกายอิสระ แสดงแรงทุกตัวที่กระทำ ต่อ วัตถุหนึ่งเป็นลูกศรจากจุด แรงสุทธิ คือผลรวมเชิงเวกเตอร์ — และแรงตั้งฉาก ไม่ใช่ เสมอว่า $mg$