การเคลื่อนที่และพลังงาน
บทนำ
ความรู้เกี่ยวกับ แรง การเคลื่อนที่ และพลังงาน เป็นพื้นฐานที่สำคัญของวิทยาศาสตร์สาขาฟิสิกส์ซึ่งมุ่งศึกษาเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงาน ทำให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ต่างๆ ในธรรมชาติรอบตัว รวมทั้งสถานการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวัน เช่น การเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆบนโลก ภายใต้สนามของแรงโน้มถ่วง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก องค์ประกอบและสมบัติของคลื่นกล และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า กัมมันตภาพรังสีและพลังานนิวเคลียร์ ซึ่งนักเรียนจะได้ศึกษารายละเอียดต่อไปในหนังสือเล่มนี้ ความเข้าใจเกี่ยวกับหลักการต่างๆของฟิสิกส์จะช่วยให้นักเรียนสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันและในการทำงานต่างๆมากมาย รวมถึงเป็นพื้นฐานในการศึกษาวิทยาศาตร์สาขาอื่นๆ อย่างกว้างขวางอีกด้วย
ความรู้ทางฟิสิกส์ได้รับการพัฒนามาจากการสังเกต การสำรวจตรวจสอบและความคิดของหลายคนสะสมและพัฒนาขึ้นมาเป็นเวลายาวนาน ในลักษณะที่เป็นหลักการ กฏ และทฤษฏี ซึ่งองค์ความรู้ต่างๆ มีการพัฒนาและเปลี่ยนแปลงไปตามที่มีประจักษ์พยาน มีการค้นพบและมีข้อมูลมากขึ้น เนื่องจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีทำให้ความรู้ทางฟิสิกส์พัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็วในปัจจุบันความรู้ทางฟิสิกส์และกิจกรรมที่นักเรียนจะได้ปฏิบัติในหนังสือเล่มนี้เป็นเพียงความรู้เบื้องต้น ซึ่งจะเป็นพื้นฐานให้นักเรียนเกิดความคิด และความเข้าใจเกี่ยวกับโลกธรรมชาติ และนำความรู้มาใช้ประโยชน์ในชีวิตจริงและเป็นพื้นฐานในการศึกษาต่อที่สูงขึ้นได้
ในชีวิตประจำวัน เราพบเห็นการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆ เช่น นกบิน รถยนต์แล่นบนถนน ลูกฟุตบอลเคลื่อนที่ในอากาศ ใบพัดลมหมุน เด็กแกว่งชิงช้า ผลไม้หล่นจากต้น เป็นต้น การเคลื่อนที่ดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะอย่างไร และขึ้นกับปัจจัยอะไรบ้าง นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป
1.1 การเคลื่อนที่แนวตรง
การเคลื่อนที่แนวตรงของวัตถุ เป็นการเคลื่อนที่ที่ไม่เปลี่ยนทิศทาง เช่น การเคลื่อนที่ของลูกมะพร้าวเมื่อตกจากต้นสู่พื้นดิน การเคลื่อนที่ของรถยนต์บนถนนตรง การเคลื่อนที่ของนักกีฬาว่ายน้ำในลู่ของสระ เป็นต้น
ปริมาตรต่างๆที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ในแนวตรงมีความเกี่ยวข้องกันอย่างไร
ในขณะที่รถยนต์เริ่มเคลื่อนที่บนถนนตรง คนขับจะเหยียบคันเร่งทำให้รถเคลื่อนที่เร็วขึ้น ถ้าสังเกตที่เข็มวัดอัตราเร็วบนหน้าปัดของรถ จะพบว่าเข็มเบนมากขึ้น แสดงว่ารถเคลื่อนที่ด้วย อัตราเร็ว (speed) เพิ่มขึ้น และถ้าพิจารณาทิสของการเคลื่อนที่ด้วย ความเร็ว (velocity) เพิ่มขึ้น
เมื่ออ่านค่าจากเข็มชี้อัตราเร็วของรถที่กำลังเคลื่อนที่ในภาพ ขณะนี้รถเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมงหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ไปทางทิศใต้ หากความเร็วของรถเปลี่ยนแปลง กล่าวได้ว่ารถเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (acceleration) การเข้าใจปริมาณต่างๆที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ จะทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้นในการขับขี่ยวดยานพาหนะ และนำไปใช้ประโยชน์ด้านต่างๆได้
การเคลื่อนที่เกี่ยวข้องกับปริมาณอะไรบ้าง การเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ มีอัตราเร็วเท่ากันตลอดการเคลื่อนที่หรือไม่ และจะสามารถวัดได้อย่างไร
1.1.1 อัตราเร็วและความเร็ว
ถ้านักเรียนสังเกตนักวิ่งหรือนักว่ายน้ำ เมื่อเคลื่อนที่ออกจากจุดเริ่มต้นจะมีอัตราเร็วไม่มากนัก และเพิ่มอัตราเร็วขึ้นในช่วงเวลาต่อมา แสดงว่าการเคลื่อนที่มีอัตราเร็วไม่เท่ากันตลอดระยะทาง จึงนิยมบอกเป็น อัตราเร็วเฉลี่ย ซึ่งหาได้จากอัตราส่วนระหว่างระยะทางที่เคลื่อนที่ได้กับช่วงเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่
ตัวอย่าง จากข้อมูลบนแถบกระดาษในภาพ 1.2 ระหว่างเวลา วินาที และเวลา วินาที อัตราเร็วขณะหนึ่งเป็นเท่าใด
วิธีทำ จากอัตราเร็วเฉลี่ย
ระยะทางจากเวลา ถึง = 0.008 m
เวลาที่ใช้เคลื่อนที่
แทนค่าอัตราเร็วเฉลี่ย
อัตราเร็วเฉลี่ยนี้คืออัตราเร็ว ณ จุดกึ่งกลางเวลา ซึ่งคืออัตราเร็วขณะหนึ่ง
คำตอบ อัตราเร็วขณะหนึ่งเท่ากับ 0.2 เมตร/ วินาที
- ให้นักเรียนหาอัตราเร็ว ณ เวลา วินาทีจากแถบกระดาษในภาพ 1.2
ถ้าการเคลือนที่มีทิศเข้ามาเกี่ยวข้อง จะบอกอัตราเร็วของรถด้วยปริมาณใด
ในกรณีการเคลื่อนที่แนวตรง ระยะทางและขนาดของการกระจัดมีค่าเท่ากัน แต่การกระจัดจะต้องมีทิศของการเคลื่อนที่กำกับด้วย นั่นคือการกรัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ การกระจัดในหนึ่งหน่วยเวลาคือ ความเร็ว ดังนั้นความเร็วกับการกระจัดจึงมีทิศเดียวกัน และต่างก็เป็นปริมาณเวกเตอร์ ความเร็วมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีเช่นเดียวกับหน่วยของอัตราเร็ว
ตัวอย่าง จากข้อมูลบนแถบกระดาษในภาพ 1.2 ระหว่างเวลา วินาที และเวลา วินาที อัตราเร็วขณะหนึ่งเป็นเท่าใด
วิธีทำ จากอัตราเร็วเฉลี่ย
ระยะทางจากเวลา ถึง = 0.008 m
เวลาที่ใช้เคลื่อนที่
แทนค่าอัตราเร็วเฉลี่ย
อัตราเร็วเฉลี่ยนี้คืออัตราเร็ว ณ จุดกึ่งกลางเวลา ซึ่งคืออัตราเร็วขณะหนึ่ง
คำตอบ อัตราเร็วขณะหนึ่งเท่ากับ 0.2 เมตร/ วินาที
- ให้นักเรียนหาอัตราเร็ว ณ เวลา วินาทีจากแถบกระดาษในภาพ 1.2
ถ้าการเคลือนที่มีทิศเข้ามาเกี่ยวข้อง จะบอกอัตราเร็วของรถด้วยปริมาณใด
ในกรณีการเคลื่อนที่แนวตรง ระยะทางและขนาดของการกระจัดมีค่าเท่ากัน แต่การกระจัดจะต้องมีทิศของการเคลื่อนที่กำกับด้วย นั่นคือการกรัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ การกระจัดในหนึ่งหน่วยเวลาคือ ความเร็ว ดังนั้นความเร็วกับการกระจัดจึงมีทิศเดียวกัน และต่างก็เป็นปริมาณเวกเตอร์ ความเร็วมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีเช่นเดียวกับหน่วยของอัตราเร็ว
1.1.2 ความเร่ง
ถ้าพิจารณาการเคลื่อนที่ในการแข่งกรีฑาที่มีนักวิ่งแซงนักวิ่งคนอื่นเข้าเส้นชัย และการขับรถแซงงคันอื่น นักวิ่งหรือผู้ขับรถต้องเพิ่มความเร็ว สถานการณ์ดังกล่าวนี้ เป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร่ง ซึ่งเป็น ความเร็วที่เปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลาความเร่งมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที ในการเคลื่อนที่ของวัตถุ ยางขณะวัตถุมีความเร็วสม่ำเสมอ ซึ่งหมายถึงขนาดและทิศของความเร็วของวัตถุไม่เปลี่ยนแปลง และบางขณะความเร็วของวัตถุเปลี่ยนไป คือมีการเปลี่ยนขนาดของความเร็วหรือมีการเปลี่ยนทิศของความเร็ว หรือมีการเปลี่ยนทั้งขนาดและทิศของความเร็ว จึมักพิจารณาความเร่งเฉลี่ย ซึ่งหาได้
ดังนั้นถ้าให้ = ความเร็วต้น (ขณะเวลา )
= ความเร็วปลาย (ขณะเวลา )
และ a = ความเร่งเฉลี่ย
จะได้
- การขับรถด้วยอัตราเร็วดังภาพมีความสัมพันธ์กับการใช้เชื้อเพลิงอย่างไร
การเคลื่อนที่ของรถจากหยุดนิ่ง (v=0) จนมีความเร็วเป็น 90 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
ในเวลา 25 วินาที จะเห็นได้ว่า รถมีความเร็ว เพิ่มขึ้น หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า รถเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง เราสามารถหาความเร่งเฉลี่ยของรถในช่วงเวลา 25 วินาที ได้ดังนี้
ความเร็วที่เปลี่ยนไป =
= 90 km/h - 0 km/h
=
= 25 m/s
ช่วงเวลาที่ใช้ =
= 25 s - 0s
= 25s
จะได้ a =
=
นั่นคือ รถเคลื่อนที่ด้วยความเร่งฌลี่ย 1 เมตรต่อวินาที และมีทิศเดียวกับทิศของความเร็ว หมายความว่ารถเพิ่มความเร็ววินาทีละ 1 เมตรต่อวินาที อย่างสม่ำเสมอ
เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของรถในช่วงเวลา t = 25s ถึง t = 50s จะเห็นว่า รถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิม หรือรถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว นั่นคือความเร็วของรถที่เปลี่ยนไปมีค่าเท่ากับศูนย์ ทำให้ความเร่งของรถมีค่าเท่ากับศูนย์ด้วย
หน่วยของอัตราเร็ว
โดยทั่วไปอัตราเร็วมีหน่วยเป็นกิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่ในระบบเอสไอ (SI) อัตราเร็วมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที บางครั้งจึงต้องเปลี่ยนหน่วยกิโลเมตรต่อชั่วโมง เป็นหน่วยเมตรต่อวินาที เช่น อัตราเร็ว 180 km/h มีค่าเท่ากับ 50 m/s
สำหรับการเคลื่อนที่ของรถในช่วงเวลา t = 50s จนกระทั่งรถหยุดนิ่งที่เวลา t =75s รถมีความเร็วน้อยลง เราสามารถหาความเร่งเฉลี่ยของรถในช่วงนี้ได้ดังนี้
ความเร็วที่เปลี่ยนไป =
= 0 km/h - 90 km/h
= - 90 km/h
=
ช่วงเวลาที่ใช้ =
จะได้ a =
นั่นคือ รถเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเฉลี่ย 1 เมตรต่อวินาที และมีทิศทางตรงข้ามกับทิสของความเร็ว เพราะความเร่งเฉลี่ย (a) มีเครื่องหมาย - ซ่งหมายความว่า ความเร็วรถลดลงวินาทีละ 1 เมตรต่อวินาที
- จากประจักษ์พยานการเคลื่อนที่ในตัวอย่างนี้ นักเรียนจะอธิบายความสัมพันธ์ของความเร็วและความเร่งว่าอย่างไร
- ความเร็ว ความเร่ง มีความสำคัญอย่างไรต่อการนำไปใช้ในชีวิตประจำวัน
การเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง แตกต่างจากการเคลื่อนที่ในแนวระดับหรือไม่อย่างไร
ถ้าทำการทดลองเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวดิ่งภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก โดยติดวัสดุ เช่น ผลส้ม หรือลูกเทนนิสกับแถบกระดาษผ่านเครื่องเคาะสัญญาณเวลาจากแถบกระดาษที่แสดงไว้ในภาพ 1.7 นักเรียนจะพบว่าวัตถุ มีความเร็วมากขึ้นอย่างสม่ำเสมอ นั่นคือวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว เรียกความเร่งในการตกของวัตถุว่า ความเร่โน้มถ่วงของโลก (gravitational acceleration, g) ซึ่งมีค่า 9.8 เมตรต่อวินาที และมีทิศดิ่งลงสู่พื้นเสมอ แสดงว่าในทุกๆ 1 นาที วัตถุมีความเร็วเพิ่มขึ้นประมาณ 9.8 เมตรต่อวินาที ซึ่งถือว่าเป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร็วเพิ่มขึ้นเร็วมาก ตัวอย่างเช่น การโดดร่มแบบดิ่งพสุธาช่วงที่ร่มยังไม่กางจะมีความเร็วมาก