p26

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

มวลแบบต่างๆ - เหรียญสลึง - สมุด - จักรยาน - รถ - เครื่องบิน - เรือบันทุกน้ำมัน

เป็นกลไกของเข็มขัดนิรภัย ซึ่งผู้ขับขี่สามารถดึงเข็มขัดออกได้อย่างง่าย ๆ โดยดึงแต่เพียงเบา ๆ อย่างไรก็ตาม ถ้าเกิดอุบัติเหตุ เข็มขัดนิรภัยจะดึงไม่ออก กลไกเหล่านี้ทำงานอย่างไร เราจะมาอธิบายกัน กลไกภายในของเข็มขัดนิรภัยประกอบด้วยล้อเฟือง แท่งล็อค และลูกตุ้มที่มีมวลค่อนข้างมาก เข็มขัดจะพันอยู่รอบล้อ ขณะที่รถอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ลูกตุ้มจะห้อยอยู่ในแนวดิ่งและแท่งล็อคอยู่ในแนวระดับ ล้อสามารถหมุนได้อย่างอิสระ ทำให้เข็มขัดดึงออกได้อย่างง่าย ๆ แต่เมื่อรถเกิดอุบัติเหตุ หยุดลงอย่างกระทันหัน ลูกตุ้มซึ่งมีมวลมากยังไม่ยอมหยุดลงเนื่องจากความเฉื่อย ลูกตุ้มจะเคลื่อนที่ต่อไป และจะไปดันแท่งล็อคทำให้แท่งล็อคเอียงไปขัดกับเฟืองของล้อ ป้องกันไม่ให้ล้อหมุน เข็มขัดจะไม่สามารถคลายตัวออกมาได้ ป้องกันผู้ขับขี่ไม่ให้คะมำไปข้างหน้า กระแทกเข้ากับพวงมาลัย หัวร้างข้างแตก นี่คือประโยชน์ของการประยุกต์โดยนำความเฉื่อยมาใช้งาน

ถุงลมนิรภัยก็ใช้ประโยชน์จากความเฉื่อยของมวล เมื่อเกิดอุบัติเหตุหรือการชนอย่างรุนแรง ถุงลมด้านหน้าคนขับจะพองตัวขึ้น ป้องกันไม่ให้ผู้ขับขี่ชนกับพวงมาลัย ดังรูป 2-35 เป็นกลไกของถุงลมนิรภัย ซึ่งประกอบด้วยเข็มจุดระเบิด และลูกบอลเหล็กที่สวมอยู่อย่างคับ ๆ ในทรงกระบอก ในขณะที่ยังไม่มีอุบัติเหตุ เข็มจุดระเบิดจะถูกดันไว้ด้วยล้อพระจันทร์ครึ่งเสี้ยว เข็มจึงไม่สามารถพุ่งไปกดปุ่มระเบิดได้ เมื่อรถหยุดลงอย่างกระทันหัน ลูกบอลซึ่งมีมวลมากและความเฉื่อยมาก ยังคงไม่หยุดและเคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้าไปดันแขนด้านบนให้เบนออกไป ทำให้ล้อพระจันทร์ครึ่งเสี้ยวที่ติดอยู่กลางแขนหมุนหลุดออกจากเข็มจุดระเบิด สปริงจะดันให้เข็มพุ่งออกไปกดปุ่มระเบิด ทำให้ก๊าซไนโตรเจนระเบิดออกมาดันถุงลมนิรภัยให้พองออก ป้องกันใบหน้าและศีรษะของผู้ขับขี่ไม่ให้ชนกับพวงมาลัย ขั้นตอนทั้งหมดนี้ใช้เวลาเพียงเศษเสี้ยวของวินาทีเท่านั้น

นักประดิษฐ์ผู้หนึ่งได้ประยุกต์กฎข้อที่สามของนิวตันสำหรับรถพ่วงดังรูป 2-39 ระหว่างรถลากกับรถพ่วง จะมีกลไกเบรกติดไว้อยู่ตรงกลาง กลไกเบรกนี้ไม่ได้อาศัยกลไกทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่ใช้หลักของกฎข้อที่สามดังนี้ เมื่อคนขับเหยียบเบรก จะทำให้รถลากช้าลงหรือหยุดลง แต่เพราะว่ารถพ่วงมีความเฉื่อยทำให้มันยังไม่หยุดในทันที และเคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้า ไปกดกลไกของเบรกที่อยู่ตรงกลางทำให้รถพ่วงหยุดตามรถลากได้

a) ถ้าลิฟท์เคลื่อนที่โดยไม่มีความเร่ง เครื่องชั่งจะแสดงน้ำหนักจริงของชายคนนี้ ( W = 700N ) b) เมื่อลิฟท์เคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่ง น้ำหนักปรากฏของชายคนนี้คือ 1000 N มากกว่าน้ำหนักจริง c) เมื่อลิฟท์เคลื่อนที่ลงด้วยความเร่ง น้ำหนักปรากฏของชายคนนี้คือ 400 N น้อยกว่าน้ำหนักจริง d) น้ำหนักปรากฏของชายคนนี้จะเป็นศูนย์ ถ้าลิฟท์นี้ตกลงอย่างอิสระ ถ้าเชือกที่ผูกลิฟท์ไว้ขาด

การทดลองกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน

            ห้องทดลองนี้เป็นการเคลื่อนที่แบบเส้นตรงด้วยความเร่งคงที่  เรากำหนดให้ความเร่งของโลก  g =  9.81  m/s²    และสามารถเปลี่ยนค่ามวลและสัมประสิทธ์แรงเสียดทานได้   

            คุณยังสามารถปรับแต่งตำแหน่งการวัด  โดยใช้วัดเปลี่ยนตำแหน่งหัววัดแสง  LB  (Light Barrier)   ซึ่งหัววัดนี้มีความถูกต้องแม่นยำ  5  มิลลิเมตร    เมื่อการเคลื่อนที่สิ้นสุดลงจะปรากฎเวลาของการเคลื่อนที่  ซึ่งหน้าต่างแสดงนาฬิกามีความละเอียดของการวัด   1  มิลลิวินาที  ให้กดปุ่มบันทึกข้อมูล ครั้งแรก  หน้าต่างทางด้านล่างจะปรากฎค่า s  กับ  t    ต่อไปให้เปลี่ยนค่า LB   และบันทึกค่าถัดไป

 ใบบันทึกผล   

กำหนดให้  สัมประสิทธ์ความเสียดทาน  =  0      มวล  M  =  100  กรัม      มวล  m =  5   กรัม

a(ทดลอง)    =    ____________m/s²

a(ทฤษฎี)       =    ________________ m/s²  จากสมการ  [m/(M+m)]g

จงเขียนกราฟระหว่าง  s  กับ  t   กดที่รูปภาพหรือที่นี่เพื่อเข้าสู่การทดลอง

เดือนเมษายน ค.ศ. 1974 นายจอร์น แมสสิส สามารถใช้พละกำลังของตัวเขาเองในการลากโบกี้รถไฟ จากรูปจะเห็นว่าเขาใช้ปากงับเชือกที่ผูกไว้กับโบกี้รถไฟแล้วก็ดึงตู้โบกี้ทั้งตู้ไปตามราง โดยปกติตู้โบกี้จะมีน้ำหนักประมาณ 70 ตัน จะเห็นว่าแรงที่เขาต้องใช้มีค่ามหาศาลมาก ทุกคนคงจะมีคำถามอยู่ในใจว่า นายจอร์น แมสสิสเป็นซุปเบอร์แมนหรือไม่? และฟันของเขาสามารถทนแรงมากมายขนาดนี้ได้อย่างไร  อ่านต่อครับ

นักบินอวกาศหญิงหามวลของตัวเธอเองบนอวกาศ  เพราะไม่สามารถจะชั่งหามวลในอวกาศได้  โดยเธอนั่งบนเก้าอี้ที่ติดกับสปริงดังรูป  ถ้าเก้าอี้มีมวล  15  kg  ขณะกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง  24  mm/s²  ใ้ห้สปริงมีแรงดึงกลับ  1.8  N  จงหาว่ามวลของเธอเป็นเท่าไร

วิธีทำ   

จากกฎข้อที่สองของนิวตัน   F  =  ma

ย้ายข้างจะได้               m   =   F/a    =    1.8  N  / 24 x 10^-3  m/s²     =     75   kg

เป็นมวลที่รวมมวลของเก้าอี้ด้วย   ด้งนั้นต้องลบมวลของเก้าอี้  15  kg  ออก จะได้มวลของนักบินอวกาศ  60  kg

- จากกฎข้อที่สามของนิวตันที่ว่า แรงที่ทีม A กระทำกับทีม B จะเท่ากับแรงที่ทีม B กระทำกับทีม A แต่มีทิศทางตรงกันข้าม อย่างนั้นเกมชักคะเย่อนี้จะมีผู้ชนะได้อย่างไร

 ลูกกุญแจกับความเร่ง

เครื่องจักรกลของ  ATWOOD

ใส่ค่ามวลของลูกบอล  2  ลูก  "มวล1"  และ  " มวล 2"  กดปุ่ม go  ถ้ามวลทั้งสองมีค่าแตกต่างกัน  มวลจะมีการเคลื่อนที่ด้วยความแร่ง  ถ้าเรากดปุ่ม ความเสียดทาน มวลของรอกจะนำมาคิดร่วมด้วย  ให้เราใส่ค่า  " มวล 3"  ลงไป   แต่ถ้าไม่มีความเสียดทาน  มวลของรอกไม่ต้องนำมาคิด  ในที่นี้ความหมายของคำว่าความเสียดทาน คือความเฉื่อยของรอกนั่นเอง

ใบบันทึกผลการทดลอง

m₁  =  5    No  friction

m₁  =  5 ,  m₃  =  2       friction    กดที่รูปภาพหรือที่นี่เพื่อเข้าสู่การทดลอง

ถ้ายิงวัตถุในแนวระดับด้วยความเร็วที่สูงพอ ความโค้งของวิถี การยิงจะเท่ากับความโค้งของโลก ดาวเทียมก็จะหมุนรอบโลกได้    กดที่รูปภาพเพื่อเข้าสู่การทดลอง

ของทศพล  วงศ์อุดม  และ  นิคม ใจซื่อ

ชายคนหนึ่งนั่งอยู่ในยานอวกาศที่กำลังโคจรรอบโลก เขาวางวัตถุก้อนหนึ่งลงบนตาชั่งติดกับพื้นของ ยานอวกาศตาชั่งจะอ่านน้ำหนักได้เท่าไร

ภาพสรุปการเดินทางของยานอวกาศอพอลโล 8  ไปยังดวงจันทร์ในปี ค.ศ.1968   ยานอวกาศออกจากฐานยิงจรวด  และเริ่มเข้าสู่วงโคจรของโลก  โดจรรอบโลกอยู่หลายรอบจึงใช้เชื้อเพลิงที่เหลือในจรวดเร่งความเร็วจนสามารถหลุดจากวงโคจรของโลกเข้าสู่วงโคจรของดวงจันทร์แทน

นักบินอวกาศกำลังสนุกสนานกับสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง

ลิฟท์ตกลงแบบอิสระ คนที่อยู่ภายในลิฟท์จะไม่รู้สึกถึงแรงโน้มถ่วงได้เลย ทำให้ตัวเขาลอยไปติดอยู่บนเพดานด้านบน

นักบินเรียนรู้การอยู่ภายในสภาวะแรงโน้มถ่วงขณะที่เครื่องบินปักหัวลงด้วยความเร่งเกือบเท่ากับความเร่งของโลก

ตัวอย่าง   ยานอวกาศโคจรเป็นวงกลมรอบโลกดังรูป   เมื่อมาถึงจุด  A   นักบินอวกาศ  เปิดหน้าต่างโยนกระป๋องโค๊กออกไปข้างหน้ายานอวกาศ อยากทราบว่ากระป๋องโค๊กจะเคลื่อนที่รอบโลกในลักษณะใด

ถ้าเอาตาชั่งสปริง  2  อัน มาเกี่ยวกันแล้วเอามือดึงอันหนึ่ง  ขณะที่อีกอันจับให้อยู่นิ่งดังรูป   ถ้าอันที่มือดึงบอกค่าแรงดึง  5  นิวตัน  อันอยู่นิ่งจะบอกค่าแรงดึงเท่าใด

ตอบ    อันที่อยู่นิ่งก็บอกค่าแรงดึงเป็น  5  นิวตันด้วย

รถลากขนาดเล็ก  2  คันมีมวลเท่ากัน  ออกแรงดึงขนาด  50 นิวตัน  เท่ากันแต่ปรากฎว่ารถคัน ข  มีความเร่งมากกว่ารถคัน  ก   การออกแรงดึงเท่ากันต่อมวลเท่ากัน  ทำไมความเร่งไม่เท่ากัน  ไม่ขัดกับกฎข้อที่สองของนิวตันหรอกหรือ

ตอบ    แรงดึงมีขนาด 50  นิวตัน เท่ากันก็จริง   ในรถคัน  ข  นั้นแรงดึงออกแรงเร่งรถอย่างเดียว   ส่วนในรถคัน  ก   แรงดึงเร่งทั้งรถและลูกตุ้มน้ำหนักด้วย  ความเร่งในรถคัน  ข  จึงมีค่ามากกว่า

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ภาพประจำสัปดาห์