ข้อ |
วิธี |
การเคลื่อนที่แบบวงกลม (Circular Motion)
XXXXXการเคลื่อนที่แบบวงกลม เป็นการเคลื่อนที่โดยมีแรงกระทำเข้าสู่ศูนย์กลางของวงกลม และจะเกิดความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง ความเร็วจะมีค่าไม่คงที่ เพราะมีการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ โดยความเร็ว ณ ตำแหน่งใดจะมีทิศสัมผัสกับวงกลม ณ ตำแหน่งนั้น
XXXXXตัวอย่างของการเคลื่อนที่แบบวงกลมที่พบเห็นในชีวิตประจำวัน ได้แก่ รถไฟเหาะ รถเลี้ยวโค้งในถนนโค้ง หรือนกบินโฉบเฉี่ยวไปมา เป็นต้น
ตัวอย่างการเคลื่อนที่แบบวงกลมในชีวิตประจำวัน
XXXXXการเคลื่อนที่แบบวงกลมมีหลายลักษณะ ในที่นี้จะศึกษาการเคลื่อนที่แบบวงกลมด้วยอัตราเร็วคงที่ โดยวัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบจุดศูนย์กลางจุดหนึ่ง ด้วยรัศมี r ดังรูป
XXXXXการศึกษาการเคลื่อนที่แบบวงกลม เราต้องเข้าใจปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบวงกลมด้วยอัตราเร็วคงที่ ได้แก่
XXXXX1. มุม (Angle) “” มุมสามารถวัดในหน่วยของ เรเดียน (radian) หรือ องศา (degree) โดยมุมในหน่วยเรเดียนนิยามจากอัตราส่วนระหว่าง ความยาวของเส้นโค้งที่รองรับมุม ต่อ รัศมีของวงกลม ดังรูป
XXXXXXXXXXจากภาพเราพบว่า
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
XXXXXXXXXXดังนั้น เมื่อ เราจะได้ = 1 เรเดียน เมื่อวัดเส้นรอบวงกลม พบว่า ดังนั้น แต่เราทราบว่า หนึ่งรอบวงกลมทำมุมเท่ากับ 3600 เราได้ความสัมพันธ์ระหว่า มุมในหน่วยเรเดียน กับ องศา ดังนี้
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
XXXXXXXXXXเมื่อ คือ เรเดียน และบ่อยครั้งที่เราประมาณค่ามุมในการพิจารณาการเคลื่อนที่ ซี่งฟังชันก์ตรีโกณมิติเมื่อค่ามุมมีค่าน้อยๆ เราประมาณได้ว่า
XXXXX2. คาบ (Period) “ T ” คือ เวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ มีหน่วยเป็น วินาที/รอบ หรือ วินาที
XXXXX3. ความถี่ (Frequency) “ f ” คือ จำนวนรอบที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ภายในเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็น รอบ/วินาที หรือ เฮิร์ตซ์ (Hz)
XXXXXเมื่อวัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยอัตราเร็วคงที่ คาบ และความถี่จะมีค่าคงที่ โดยคาบและความถี่สัมพันธ์กันโดย
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
ความสัมพันธ์ระหว่าง อัตราเร็วเชิงเส้น (v), คาบ (T) , และความถี่ (f)
XXXXXการเคลื่อนที่แบบวงกลมรอบจุดศูนย์กลางใดๆ ด้วยรัศมี r ด้วยอัตราเร็วคงที่ เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ เราพบว่า
XXXXXXXXXXอัตราเร็วเชิงเส้นXXXXX
XXXXXวัตถุเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ และ (คาบ)
XXXXXXXXXXดังนั้นXXXXXXXXXX
XXXXXXXXXXหรือXXXXXXXXXX
วัตถุเคลื่อนที่ในแนววงกลมในระนาบระดับด้วยอัตราเร็วคงตัว
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
สมมุติว่าจัดให้ลูกเหล็กหมุนวนเป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอบนพื้นโต๊ะ แล้วถ้าทำให้เกิดเงาของลูกเหล็กปรากฏที่ผนังด้านข้างก็จะเห็นการเคลื่อนที่ของเงาเป็นการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายรอบจุดคงตัวจุดหนึ่ง
เงาของลูกเหล็กเปรียบเสมือนเป็นวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย เคลื่อนที่กลับไปกลับมารอบจุดคงตัวจุดหนึ่งŽ
ปริมาณที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย เช่น คาบ ความถี่ อัตราเร็วเชิงมุม จะมีค่าเดียวกับคาบ ความถี่ อัตราเร็วเชิงมุมของการเคลื่อนที่เป็นวงกลม
1. คาบ (T) ของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย คือ เวลาที่เคลื่อนที่ครบ 1 รอบ หน่วยวัดเป็น วินาที
2. ความถี่ (f) ของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย คือ จำนวนรอบที่เคลื่อนที่ใน 1 วินาที
3. อัตราเร็วเชิงมุม หรืออาจเรียกว่าความถี่เชิงมุม v = 2pf = เรเดียนต่อวินาที
อย่างไรก็ตามในการอธิบายการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายมักอธิบายเกี่ยวกับการกระจัด ความเร็วและความเร่งเหมือนการเคลื่อนที่แบบอื่นๆที่นักเรียนได้เรียนมาแล้ว
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายตามแนวระดับรอบจุดคงตัว O
4. การกระจัด ของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย คือ การวัดระยะการย้ายตำแหน่งของวัตถุเมื่อเทียบกับจุดคงตัว O และการกระจัดสูงสุดคือแอมพลิจูดของการเคลื่อนที่
ตามรูป x คือ การกระจัดของการเคลื่อนที่ ณ เวลาหนึ่ง
x = A sin vt
เมื่อ A คือ การกระจัดสูงสุดหรือแอมพลิจูดของการเคลื่อนที่
vt คือ มุมเฟส ณ เวลา t
5. ความเร็ว ของการเคลื่อนที่ v = Av cos vt ความเร็วมีทิศเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุ ณ เวลานั้น
ความเร็วของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
2 ขนาดความเร็วสูงสุดเป็น Av ขณะผ่านจุด O
2 ขนาดความเร็วเป็นศูนย์อยู่ที่ตำแหน่งที่การกระจัดสูงสุด
6. ความเร่ง ของการเคลื่อนที่ a = 2Av2 sin vt หรือ a = 2v2x ทิศความเร่งพุ่งเข้าหาจุด O เสมอ
และขนาดของความเร่งเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
ความเร่งของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
2 ขนาดความเร่งสูงสุดเป็น Av2 ขณะอยู่ที่ตำแหน่งที่การกระจัดสูงสุด
2 ขนาดของความเร่งเป็นศูนย์เมื่อผ่านจุด O
ระบบที่มีการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
1. ระบบมวล - สปริง ผูกมวล m กิโลกรัมที่ปลายสปริงแล้ววางบนพื้นโต๊ะเกลี้ยง ตรึงปลายสปริงอีกด้านหนึ่งไว้(ตัวสปริงขนานพื้นโต๊ะ) ทำให้มวลเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายรอบจุด O
l ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ ที่ควรทราบดังนี้
1) คาบ (T) ของการเคลื่อนที่ คือ เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ 1 รอบ (กี่วินาทีใน 1 รอบ)
2) ความถี่ (f) ของการเคลื่อนที่ คือ จำนวนรอบที่เคลื่อนที่ใน 1 หน่วยเวลา (กี่จำนวนรอบใน 1 วินาที)
3) อัตราเร็วเชิงมุม v = 2pf = และถ้า k เป็นค่านิจของสปริง v =
4) การกระจัด (x) วัดระยะที่มวลแกว่งออกจากจุด O ณ ขณะใดๆ
5) แอมพลิจูด (A) วัดระยะแกว่งออกจากจุด O สูงสุด
สมการขนาดการกระจัด คือ x = A sin vt
6) ความเร็ว (v) ณ ขณะใดๆ มีทิศตามทิศการเคลื่อนที่ ณ ขณะนั้น
สมการขนาดความเร็ว คือ v = Av cos vt
7) ความเร่ง (a) ณ ขณะใดๆ มีทิศเข้าหาจุดที่ต่ำสุด (เชือกอยู่แนวดิ่ง)
สมการขนาดความเร่ง คือ a = 2Av2 cos vt หรือ a = 2v2x
ในกรณีที่พิจารณาการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายในแนวดิ่ง อาจอธิบายด้วยสมการต่อไปนี้
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายตามแนวดิ่งรอบจุดคงตัว O
สมการขนาดการกระจัด คือ y = A cos vt
สมการขนาดความเร็ว คือ v = 2Av sin vt
สมการขนาดความเร่ง คือ a = 2Av2 cos vt หรือ a = 2v2y
ระบบเพนดูลัมอย่างง่าย
ระบบเพนดูลัมอย่างง่าย คือ ระบบที่มวลผูกเชือกแล้วแขวนให้เชือกอยู่ในแนวดิ่ง เมื่อทำให้มวลแกว่งโดยเชือกเบนจากแนวดิ่งน้อยๆ การเคลื่อนที่ของมวลจะเป็นแบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย โดยเชือกเป็นความยาวแขนของการเคลื่อนที่
l ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ ที่ควรทราบดังนี้
1) คาบ (T) ของการเคลื่อนที่ คือ เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ 1 รอบ (กี่วินาทีใน 1 รอบ)
2) ความถี่ (f) ของการเคลื่อนที่ คือ จำนวนรอบที่เคลื่อนที่ใน 1 หน่วยเวลา (กี่รอบใน 1 วินาที)
3) อัตราเร็วเชิงมุม v = 2pf =
และถ้า < เป็นความยาวแขนของการเคลื่อนที่แล้ว v =
4) การกระจัด (x) วัดระยะที่มวลแกว่งออกจากแนวดิ่งเริ่มต้น ณ ขณะใดๆ และเชือกเบนทำมุม u = vt
5) แอมพลิจูด (A) วัดระยะแกว่งออกจากแนวดิ่งเริ่มต้นสูงสุด
สมการขนาดการกระจัด คือ x = A sin vt
6) ความเร็ว (v) ณ ขณะใดๆ มีทิศตามทิศการเคลื่อนที่ ณ ขณะนั้น
สมการขนาดความเร็ว คือ v = A v cos vt
7) ความเร่ง (a) ณ ขณะใดๆ มีทิศเข้าหาจุดที่ต่ำสุด (เชือกอยู่แนวดิ่ง)
สมการขนาดความเร่ง คือ a = Av2 cos vt หรือ a = 2v2x
โจทย์การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
ข้อที่ 1)
ขีปนาวุธถูกยิงจากพื้นดิน ด้วยความเร็ว 60 เมตร/วินาที ในทิศทำมุม 30 องศา กับแนวระดับ กระสุนจะลอยอยู่ในอากาศเป็นเวลานานเท่าใดจึงจะตกถึงพื้นดิน และเคลื่อนที่ถึงจุดสูงสุดเป็นระยะเท่าใดจากพื้นระดับ4 วินาที, 40 เมตร 6 วินาที, 45 เมตร 8 วินาที, 60 เมตร 10 วินาที, 100 เมตร ข้อที่ 2) ชายคนหนึ่ง ขว้างลูกบอลขึนไปจากพื้นดิน โดยทำมุม 45 องศา กับแนวระดับ ลูกบอลลอยอยู่ในอากาศนาน 3 วินาที จึงตกถึงพื้นดิน จงหา ลูกบอลขึ้นไปได้สูงสุดเท่าใด 4.00 เมตร 6.25 เมตร 8.50 เมตร 11.25 เมตร ข้อที่ 3) จากโจทย์ข้อ 2 ถ้าลูกบอลไปตกที่ระยะ 90 เมตร จากจุดขว้าง จงหาความเร็วตามแนวราบ มีค่าเท่าใด 25 เมตร/วินาที 30 เมตร/วินาที 35 เมตร/วินาที 40 เมตร/วินาที ข้อที่ 4) นักรักบี้คนหนึ่ง เตะลูกรักบี้ขึ้นด้วยความเร็ว 20 เมตร/วินาที ทำมุม 60 องศา กับแนวระดับ เขาจะต้องวิ่งด้วยความเร็วอย่างน้อยที่สุดเท่าไร จึงจะไปรับลูกรักบี้ที่เขาเตะออกไปเอง ได้พอดี ก่อนตกถึงพื้นดิน 4 เมตร/วินาที 6 เมตร/วินาที 8 เมตร/วินาที 10 เมตร/วินาที ข้อที่ 5) ยิงกระสุนปืน มวล 50 กรัม ด้วยความเร็วต้น 100 เมตร/วินาที ทำมุม 60 องศา กับแนวระดับ หลังจากนั้น 5 วินาที กระสุนตกกระทบเป้าบนหน้าผา จงหา เป้าอยู่สูงจากพื้น เท่าไร 181 เมตร 218 เมตร 308 เมตร 550 เมตร
โจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลม
ปริมาณในแนวใดของการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ที่ไม่เกิดความเร่ง
การเคลื่อนที่ในแนววงกลมจะเกิดแรงชนิดใดเสมอ
วัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลม 2 รอบ โดย 1 รอบมีระยะ 50 เมตร การกระจัดของวัตถุเป็นกี่ เมตร
ข้อใดเป็นตัวอย่างของการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
การแกว่งของสปริงในแนวราบโดยไม่คำนึงถึงแรงเสียดทานเป็นการเคลื่อนที่แบบใด
โจทย์การเคลื่อนที่แบบฮาร์มนนิก
|