แรงและการเคลื่อนที่: สูตรพร้อมเงื่อนไขการใช้
ก่อนแทนตัวเลขให้กำหนดวัตถุที่ศึกษา ทิศบวก และหน่วยให้ชัดเจน บทความนี้สรุปกลศาสตร์นิวตันและการเคลื่อนที่แนวตรงที่มีความเร่งคงตัว
แรงลัพธ์กับกฎข้อที่สอง
สำหรับระบบมวลคงตัว ใช้ ΣF = ma โดย ΣF คือผลรวมแรงภายนอกเชิงเวกเตอร์ ไม่ใช่แรงใดแรงหนึ่งเพียงแรงเดียว มวล m ใช้กิโลกรัม ความเร่ง a ใช้เมตรต่อวินาทีกำลังสอง และแรงมีหน่วยนิวตัน โดย 1 N = 1 kg·m/s² แหล่งอ้างอิง: OpenStax — กฎข้อที่สอง
กฎข้อที่หนึ่ง
เมื่อแรงลัพธ์เป็นศูนย์ วัตถุคงสภาพหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวในแนวตรงได้ จึงไม่จำเป็นต้องมีแรงลัพธ์ไปข้างหน้าตลอดเพื่อรักษาความเร็วคงตัว และการอยู่นิ่งไม่ได้แปลว่าไม่มีแรงแต่ละแรงกระทำ แหล่งอ้างอิง: OpenStax — ความเฉื่อยและแรงลัพธ์
กฎข้อที่สาม
แรงที่วัตถุสองชิ้นกระทำต่อกันมีขนาดเท่ากันและทิศตรงข้าม แต่กระทำคนละวัตถุ จึงไม่นำคู่แรงนั้นมาหักล้างกันในแผนภาพแรงของวัตถุชิ้นเดียว แหล่งอ้างอิง: OpenStax — คู่แรงระหว่างวัตถุ
สูตรการเคลื่อนที่แนวตรง
เมื่อความเร่ง a คงตัวตลอดช่วงที่ศึกษา ใช้ v = u + at, s = ut + ½at² และ v² = u² + 2as โดย u เป็นความเร็วต้น v เป็นความเร็วปลาย t เป็นเวลาที่ผ่านไป และ s เป็นการกระจัดตามแกนที่เลือก ไม่ใช่ระยะทางสะสมเสมอไป แหล่งอ้างอิง: OpenStax — การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว
ตัวอย่างคำนวณของผู้เขียน
สมมติวัตถุมวล 2 kg รับแรงลัพธ์คงตัว 6 N ในทิศบวก จะได้ a = 6 ÷ 2 = 3 m/s² ถ้าเริ่มจากหยุดนิ่งและผ่านไป 4 s จะได้ v = 0 + 3×4 = 12 m/s และ s = 0×4 + ½×3×4² = 24 m ตัวอย่างนี้กำหนดเงื่อนไขไว้เพื่อฝึกใช้สูตร
ข้อควรเช็กในโจทย์
- แยกแรงลัพธ์ออกจากแรงผลักและแรงเสียดทานแต่ละแรง
- ระบุทิศบวกและเก็บเครื่องหมายลบให้สอดคล้องกัน
- ตรวจว่าความเร่งคงตัวก่อนใช้สูตรชุดข้างต้น
- แยกการกระจัดออกจากระยะทาง โดยเฉพาะเมื่อวัตถุกลับทิศ
รายการนี้เป็นแนวทางตรวจคำตอบที่ผู้เขียนจัดทำจากเงื่อนไขของสูตรข้างต้น
คำถามที่พบบ่อย
อยู่นิ่งต้องมีแรงจากสิ่งแวดล้อมเสมอหรือไม่? สิ่งที่สรุปในกรอบนี้คือแรงลัพธ์เป็นศูนย์ ไม่ใช่ข้อบังคับว่าต้องมีแรงแต่ละชนิดเสมอ
สูตร s = ut + ½at² ใช้ได้กับทุกการเคลื่อนที่หรือไม่? ในรูปที่นำเสนอ ใช้กับการเคลื่อนที่ตามแกนที่มีความเร่งคงตัว ไม่ใช้แทนทุกกรณีโดยละเงื่อนไข
