ข้ามไปยังเนื้อหา

แรงและพลวัตการเคลื่อนที่เชิงเส้น

AP Physics C: กลศาสตร์ · หัวข้อ 2

ดูสไลด์ ฝึกฝน
บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้ เปิดหน้าวิดีโอ
9:06

แรงและพลวัตการเคลื่อนที่เชิงเส้น

รถเข็นวิ่งรอบวงกลมแนวตั้ง ที่ยอดสุดมันกลับหัวสนิท ไม่มีอะไรพยุงมัน ทำไมมันจึงไม่ตก? คำตอบไม่ใช่บางสิ่ง...

การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ

2.1

ระบบและจุดศูนย์กลางมวล

หลักสูตร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.1.A: อธิบายคุณสมบัติและปฏิสัมพันธ์ของระบบ

  • 2.1.A.1 คุณสมบัติของระบบถูกกำหนดโดยปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุภายในระบบ
  • 2.1.A.2 หากคุณสมบัติหรือปฏิสัมพันธ์ของวัตถุส่วนประกอบภายในระบบไม่สำคัญในการสร้างแบบจำลองพฤติกรรมของระบบมาโครสโคปิก ระบบนั้นเองสามารถถูกพิจารณาเป็นวัตถุเดียวได้
  • 2.1.A.3 ระบบอาจอนุญาตให้มีความสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบภายในระบบกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งอาจนำไปสู่การถ่ายโอนพลังงานหรือมวล
  • 2.1.A.4 วัตถุแต่ละตัวภายในระบบที่ถูกเลือกอาจมีพฤติกรรมที่แตกต่างจากกันเองและต่างจากระบบโดยรวม
  • 2.1.A.5 โครงสร้างภายในของระบบมีผลต่อการวิเคราะห์ระบบนั้น
  • 2.1.A.6 เมื่อตัวแปรภายนอกที่นอกเหนือจากระบบมีการเปลี่ยนแปลง โครงสร้างย่อยของระบบอาจเปลี่ยนแปลงไปด้วย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.1.B: อธิบายตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวลของระบบเมื่อเทียบกับส่วนประกอบต่างๆ ของระบบ

  • 2.1.B.1 สำหรับวัตถุหรือระบบที่มีการกระจายมวลแบบสมมาตร จุดศูนย์กลางมวลจะอยู่บนเส้นสมมาตร
  • 2.1.B.2 ตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวลของระบบตามแกนที่กำหนดสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ ⟦number⟧
    • สมการ: $\vec{x}_{\text{cm}} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
  • 2.1.B.3 สำหรับของแข็งที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งสามารถพิจารณาว่าเป็นกลุ่มของมวลต่าง ๆ $dm$ จุดศูนย์กลางมวลของของแข็งนี้สามารถคำนวณได้จากสมการ
    • สมการ: $\vec{r}_{\text{cm}} = \dfrac{\int \vec{r}\, dm}{\int dm}$
    • 2.1.B.3.i ความหนาแน่นมวลเชิงเส้นของแท่งหรือวัตถุแข็งรูปทรงอื่นใดคืออนุพันธ์ของมวลแท่งเทียบกับตำแหน่งขององค์ประกอบมวลต่าง ๆ บนวัตถุแข็ง
      • สมการ: $\lambda = \dfrac{d}{d\ell} m(\ell)$
    • 2.1.B.3.ii หากกำหนดฟังก์ชันความหนาแน่นมวลของของแข็งไว้ สามารถหามวลรวมได้โดยการอินทิเกรตความหนาแน่นมวลตลอดความยาว (หนึ่งมิติ) พื้นที่ (สองมิติ) หรือปริมาตร (สามมิติ) ของของแข็ง ตัวอย่างเช่น:
      • สมการ: $M_{\text{total}} = \int \rho(r)\, dV$
  • 2.1.B.4 ระบบสามารถจำลองเป็นวัตถุเดี่ยวที่อยู่ที่จุดศูนย์กลางมวลของระบบนั้น

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

ระบบ (system) คือวัตถุหรือวัตถุที่คุณวิเคราะห์, จัด behaving เป็นจุดที่ ศูนย์กลางมวล. สำหรับชุดมวล, $x_{\text{cm}}=\dfrac{\sum m_i x_i}{\sum m_i}$; สำหรับร่างกายต่อเนื่อง, $x_{\text{cm}}=\dfrac{1}{M}\int x\,dm$. มีเพียง แรงภายนอก เท่านั้นที่ทำให้ศูนย์กลางมวลเคลื่อนที่

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
system/ˈsɪstəm/ ระบบ
center of mass/ˈsentə ɒv mæs/ ศูนย์กลางมวล
2.2

แรงและแผนภาพวัตถุอิสระ

หลักสูตร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.2.A: อธิบายแรงในฐานะการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุสองชิ้นหรือระบบสองระบบ

  • 2.2.A.1 แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุหรือระบบ
    • 2.2.A.1.i แรงที่กระทำต่อวัตถุหรือระบบใด ๆ นั้นเกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์ของวัตถุนั้นหรือระบบนั้นกับวัตถุหรือระบบอื่นเสมอ
    • 2.2.A.1.ii วัตถุหรือระบบไม่สามารถ exert แรงสุทธิต่อตัวเองได้
  • 2.2.A.2 แรงสัมผัสอธิบายการสัมผัสระหว่างวัตถุหรือระบบกับวัตถุหรือระบบอื่น และเป็นผลกระทบทางมาโครสโคปิกของแรงไฟฟ้าระหว่างอะตอม

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.2.B: อธิบายแรงที่กระทำต่อวัตถุหรือระบบโดยใช้แผนภาพร่างกายอิสระ

  • 2.2.B.1 แผนภาพร่างกายอิสระเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สำหรับการจินตนาการถึงแรงที่กระทำต่อวัตถุหรือวัตถุเดียวหรือระบบ และการหาคำสมการที่แสดงถึงสถานการณ์ทางฟิสิกส์
  • 2.2.B.2 แผนภาพร่างกายอิสระ (free-body diagram) ของวัตถุหรือระบบจะแสดงแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุนั้นหรือระบบนั้นจากสิ่งแวดล้อม
  • 2.2.B.3 แรงที่กระทำต่อวัตถุหรือระบบจะถูกแทนด้วยเวกเตอร์ที่เริ่มต้นจากตัวแทนของจุดศูนย์กลางมวล เช่น จุดจุดหนึ่ง ระบบจะถูกพิจารณาว่ามวลทั้งหมดรวมอยู่ที่จุดศูนย์กลางมวล
  • 2.2.B.4 การใช้ระบบพิกัดที่มีแกนหนึ่งขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุหรือระบบ ช่วยให้ง่ายต่อการแปลงจากแผนภาพร่างกายอิสระไปเป็นรูปสมการทางพีชคณิต ตัวอย่างเช่น ในแผนภาพร่างกายอิสระของวัตถุบนพื้นเอียง จะช่วยได้หากกำหนดให้แกนหนึ่งขนานกับพื้นผิวของพื้นเอียง

คำประกาศขอบเขต: AP Physics C: Mechanics และ AP Physics C: Electricity and Magnetism คาดหวังให้นักเรียนแสดงเฉพาะแรงที่กระทำต่อวัตถุ ไม่ใช่ส่วนประกอบของแรงบนแผนภาพร่างกายอิสระ ในการสอบ AP Physics แรงแต่ละตัวที่แสดงบนแผนภาพร่างกายอิสระต้องวาดเป็นลูกศรตรงเดี่ยว ที่เริ่มต้นจากจุดกึ่งกลางและชี้ไปในทิศทางของแรง แรงที่เป็นตัวเดียวกันต้องวาดอยู่ข้างกัน ไม่ซ้อนทับกัน

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

แรง คือการผลักหรือดึง (เป็นเวกเตอร์, ในหน่วยนิวตัน). แผนภาพร่างแรง วาดวัตถุหนึ่ง物体พร้อมลูกศรสำหรับ ทุก แรงที่กระทำบนมัน – น้ำหนัก, ปฏิกิริยาตั้งฉาก, ความตึง, แรงเสียดทาน, แรงกระทำ, แรงต้าน. วาดมันก่อน; มันเตรียมการสมการพลศาสตร์ทั้งหมด

แผนภาพวัตถุอิสระแสดงทุกแรงที่กระทำต่อวัตถุหนึ่ง
A free-body diagram shows every force acting on one object
สำรวจ

ดุลย์แรงบนแผนภาพวัตถุอิสระ

แผนภาพวัตถุอิสระ แสดงแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุหนึ่งด้วยลูกศร วัตถุจะเร่งความเร็วได้ก็ต่อเมื่อแรงไม่หักล้างกัน — แรงลัพธ์ กำหนด $a=F/m$

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
force/fɔːs/ แรง
free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ แผนภาพวัตถุอิสระ
Newton's third law/ˈnjuːtnz θɜːd lɔː/ กฎข้อที่สามของนิวตัน
inertia/ɪˈnɜːʃə/ ความเฉื่อย
net force/net fɔːs/ แรงลัพธ์
translational equilibrium/trænˈsleɪʃənl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ สมดุลการเลื่อน
differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ สมการเชิงอนุพันธ์
incline/ɪnˈklaɪn/ พื้นผิวเอียง
tension/ˈtenʃn/ แรงตึง
Newton's law of gravitation/ˈnjuːtnz lɔː ɒv ˌɡrævɪˈteɪʃn/ กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน
Friction/ˈfrɪkʃn/ แรงเสียดทาน
kinetic/kɪˈnetɪk/ พลังงานจลน์
static/ˈstætɪk/ นิ่ง不動
normal force/ˈnɔːml fɔːs/ แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก
2.3

กฎข้อที่สามของนิวตัน

หลักสูตร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.3.A: อธิบายการมีปฏิสัมพันธ์ของวัตถุสองชิ้นหรือระบบสองระบบโดยใช้กฎข้อที่สามของนิวตันและการแสดงแรงคู่ที่กระทำต่อวัตถุหรือระบบแต่ละตัว

  • 2.3.A.1 กฎข้อที่สามของนิวตันอธิบายการมีปฏิสัมพันธ์ของวัตถุสองชิ้นหรือระบบสองระบบในแง่ของแรงคู่ที่แต่ละฝ่ายกระทำต่อกัน
    • สมการ: $\vec{F}_{\text{A on B}} = -\vec{F}_{\text{B on A}}$
  • 2.3.A.2 การมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุภายในระบบ (แรงภายใน) ไม่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางมวลของระบบ
  • 2.3.A.3 แรงตึง (Tension) เป็นผลลัพธ์ทางมหภาคของแรงที่ส่วนย่อยขนาดเล็ก ๆ ของเชือก สายเคเบิล โซ่ หรือระบบคล้ายคลึงกันกระทำต่อกันเพื่อตอบสนองต่อแรงภายนอก
    • 2.3.A.3.i เชือกในอุดมคติมีมวลน้อยจนสามารถละเลยได้และไม่ยืดเมื่อถูกดึงตึง
    • 2.3.A.3.ii แรงตึงเชือกในอุดมคตินั้นเท่ากันทุกจุดภายในเชือก
    • 2.3.A.3.iii ในกรณีของเชือกที่มีมวลไม่เล็กน้อย แรงตึงอาจไม่เท่ากันทุกจุดภายในเชือก
    • 2.3.A.3.iv รอกในอุดมคตินั้นคือรอกที่มีมวลน้อยจนสามารถละเลยได้และหมุนรอบแกนผ่านจุดศูนย์กลางมวลโดยมีแรงเสียดทานน้อยจนสามารถละเลยได้

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

กฎข้อที่สามของนิวตัน: A ดัน B, B ดันกลับเท่ากันและตรงข้าม. คู่แรงนี้กระทำบน วัตถุต่างกัน, ดังนั้นจึงไม่หักล้างกันในแผนภาพร่างแรงเดียวกัน

คู่กฎข้อที่สามของนิวตัน: แรงที่เท่ากันและตรงข้ามกระทำต่อวัตถุที่แตกต่างกันสองวัตถุ
คู่กฎข้อที่สามของนิวตัน: แรงที่เท่ากันและตรงข้ามกระทำต่อวัตถุที่แตกต่างกันสองวัตถุ
2.4

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

หลักสูตร

จุดประสงค์การเรียนรู้ 2.4.A: อธิบายเงื่อนไขภายใต้ซึ่งความเร็วของระบบคงที่

  • 2.4.A.1 แรงสุทธิที่กระทำต่อ系统是ผลบวกเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อระบบ
  • 2.4.A.2 สมดุลแบบถลาง (Translational equilibrium) คือการจัดเรียงของแรงที่ทำให้แรงลัพธ์ที่กระทำต่อระบบเป็นศูนย์
    • สมการที่ได้มา: $\sum \vec{F}_i = 0$
  • 2.4.A.3 กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันระบุว่าหากแรงสุทธิที่กระทำต่อระบบเป็นศูนย์ ความเร็วของระบบนั้นจะคงที่
  • 2.4.A.4 แรงอาจสมดุลกันในมิติเดียวแต่ไม่สมดุลในอีกมิติหนึ่ง ความเร็วของระบบจะเปลี่ยนแปลงเพียงในทิศทางของแรงที่ไม่สมดุล
  • 2.4.A.5 กรอบอ้างอิงเฉื่อยคือกรอบอ้างอิงที่ผู้สังเกตสามารถยืนยันกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันได้

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน (ความเฉื่อย): เมื่อ แรงสุทธิ เป็นศูนย์, ความเร็วจะคงที่ – วัตถุนั้นอยู่ใน สมดุลการเคลื่อนที่แบบเลื่อน

2.5

กฎข้อที่สองของนิวตัน

หลักสูตร

จุดประสงค์การเรียนรู้ 2.5.A: อธิบายเงื่อนไขภายใต้ซึ่งความเร็วของระบบเปลี่ยนไป

  • 2.5.A.1 แรงที่ไม่สมดุลคือสภาวะของแรงที่ทำให้แรงสุทธิที่กระทำต่อระบบไม่เท่ากับศูนย์
  • 2.5.A.2 กฎข้อที่สองของการเคลื่อนที่ของนิวตันระบุว่าความเร่งของจุดศูนย์กลางมวลของระบบมีขนาดแปรผันตรงกับขนาดของแรงสุทธิที่กระทำต่อระบบ และมีทิศทางเดียวกับแรงสุทธินั้น
    • สมการ: $\vec{a}_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \vec{F}}{m_{\text{sys}}} = \dfrac{\vec{F}_{\text{net}}}{m_{\text{sys}}}$
  • 2.5.A.3 ความเร็วของจุดศูนย์กลางมวลของระบบจะเปลี่ยนแปลงก็ต่อเมื่อมีแรงภายนอกสุทธิที่ไม่เป็นศูนย์กระทำต่อระบบเท่านั้น

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

รูปแบบทั่วไปใช้โมเมนตัม:

$$\sum\vec{F}=\frac{d\vec{p}}{dt}=m\vec{a}\ \ (\text{for constant mass}).$$
นำไปใช้ทีละแกน. เมื่อแรงขึ้นอยู่กับความเร็วหรือตำแหน่ง, สิ่งนี้จะกลายเป็น สมการเชิงอนุพันธ์ เพื่อแก้

ตัวอย่างวิธีทำ. บล็อก $2.0\ \text{kg}$ ลื่นลงบน ระนาบลื่น ที่มุม $30^{\circ}$. มีเพียงองค์ประกอบตามแนวระนาบของแรงโน้มถ่วงที่ขับเคลื่อน, ดังนั้น $a=g\sin30^{\circ}=9.8(0.5)=4.9\ \text{m/s}^2$, ไม่ขึ้นกับมวล

ตัวอย่างวิธีทำ (สองวัตถุ)./cart $6.0\ \text{kg}$ บนโต๊ะไร้แรงเสียดทาน ถูกดึงด้วยเชือกผ่านลูกกลิ้งเบามาที่มวลห้อย $2.0\ \text{kg}$. พิจารณาคู่นี้เป็นระบบเดียว: มีเพียงน้ำหนักที่ห้อยที่ขับเคลื่อน, ดังนั้น $a=\dfrac{2.0(9.8)}{8.0}=2.45\ \text{m/s}^2$. จากนั้นแยกเฉพาะ cart ออกมาเพื่อหา ความตึง ของเชือก: $T=6.0(2.45)\approx15\ \text{N}$. ระบบก่อนสำหรับ $a$, วัตถุเดี่ยวสำหรับแรงภายใน – รูปแบบสองขั้นตอนนี้คือมาตรฐาน

จรวดปล่อยขึ้น: แรงลัพธ์เปลี่ยนโมเมนตัม — F_net = ma สำหรับพลศาสตร์การเคลื่อนที่เชิงเส้น *จรวดปล่อยขึ้น: แรงลัพธ์เปลี่ยนโมเมนตัม — F_net = ma สำหรับพลศาสตร์การเคลื่อนที่เชิงเส้น

2.6

แรงโน้มถ่วง

หลักสูตร

จุดประสงค์การเรียนรู้ 2.6.A: อธิบายการมีปฏิสัมพันธ์ทางโน้มถ่วงระหว่างวัตถุหรือระบบที่มีมวล

  • 2.6.A.1 กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันอธิบายแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุหรือสองระบบว่าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของแต่ละ物体และเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลของระบบ
    • สมการ: $\left| \vec{F}_g \right| = G \dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
    • 2.6.A.1.i แรงโน้มถ่วงมีลักษณะเป็นการดึงดูด
    • 2.6.A.1.ii แรงโน้มถ่วงจะถูกกระทำตามเส้นที่เชื่อมระหว่างศูนย์กลางมวลของระบบทั้งสองที่มีปฏิสัมพันธ์กันเสมอ
    • 2.6.A.1.iii แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อระบบสามารถพิจารณาได้ว่ากระทำที่จุดศูนย์กลางมวลของระบบ
  • 2.6.A.2 สนามเป็นแบบจำลองที่แสดงผลของแรงที่ไม่สัมผัสที่ทำต่อวัตถุ ณ ตำแหน่งต่างๆ ในอวกาศ
    • 2.6.A.2.i ขนาดของสนามโน้มถ่วงที่เกิดจากระบบที่มีมวล $M$ ที่จุดหนึ่งในอวกาศ มีค่าเท่ากับอัตราส่วนของแรงโน้มถ่วงที่ระบบกระทำต่อวัตถุทดสอบที่มีมวล $m$ ต่อมวลของวัตถุทดสอบ
      • สมการที่ได้จาก: $\left| \vec{g} \right| = \dfrac{\left| \vec{F}_g \right|}{m} = G \dfrac{M}{r^2}$
    • 2.6.A.2.ii หากแรงโน้มถ่วงเป็นแรงเดียวที่กระทำต่อวัตถุ ความเร่งที่สังเกตได้ของวัตถุนั้น (ใน $\text{m/s}^2$) จะมีค่าเท่ากับขนาดของความเข้มสนามโน้มถ่วง (ใน $\text{N/kg}$) ณ จุดนั้น
  • 2.6.A.3 แรงโน้มถ่วงที่วัตถุทางดาราศาสตร์กระทำต่อวัตถุใกล้เคียงขนาดเล็กเรียกว่า น้ำหนัก
    • สมการที่ได้มา: $\text{Weight} = F_g = mg$

จุดประสงค์การเรียนรู้ 2.6.B: อธิบายสถานการณ์ที่แรงโน้มถ่วงสามารถพิจารณาได้ว่าคงที่

  • 2.6.B.1 หากแรงโน้มถ่วงระหว่างจุดศูนย์กลางมวลของระบบสองระบบมีการเปลี่ยนแปลงน้อยจนสามารถละเลยได้เมื่อตำแหน่งสัมพัทธ์ของระบบทั้งสองเปลี่ยนไป แรงโน้มถ่วงสามารถพิจารณาได้ว่าคงที่ตลอดช่วงระหว่างตำแหน่งเริ่มต้นและตำแหน่งสุดท้ายของระบบ
  • 2.6.B.2 ใกล้ผิวโลก ความเข้มของสนามโน้มถ่วงคือ
    • สมการ: $g \approx 10\ \text{N/kg}$

จุดประสงค์การเรียนรู้ 2.6.C: อธิบายเงื่อนไขภายใต้ซึ่งขนาดของน้ำหนัก apparent ของระบบต่างจากขนาดของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อระบบนั้น

  • 2.6.C.1 ขนาดของน้ำหนัก apparent ของระบบคือขนาดของแรงปฏิกิริยาที่กระทำต่อระบบ
  • 2.6.C.2 หากระบบมีความเร่ง น้ำหนัก apparent ของระบบจะไม่เท่ากับขนาดของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อระบบ
  • 2.6.C.3 ระบบจะรู้สึกไร้وزนเมื่อไม่มีแรงใดกระทำต่อระบบ หรือเมื่อแรงโน้มถ่วงเป็นแรงเดียวที่กระทำต่อระบบ
  • 2.6.C.4 หลักการสมมูลระบุว่าผู้สังเกตในกรอบอ้างอิงที่ไม่ใช่กรอบอ้างอิงเฉื่อยไม่สามารถแยกแยะระหว่างน้ำหนักที่ปรากฏของวัตถุกับแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุจากสนามโน้มถ่วงได้

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.6.D: อธิบายมวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วง

  • 2.6.D.1 วัตถุมีมวลเฉื่อย หรือ ความเฉื่อย ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่กำหนดว่าความเคลื่อนไหวของวัตถุนั้นจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงมากเพียงใดเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุอื่น
  • 2.6.D.2 มวลโน้มถ่วงเกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดระหว่างระบบสองระบบที่มีมวล
  • 2.6.D.3 มวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วงได้รับการยืนยันด้วยวิธีการทดลองแล้วว่าสมมูลกัน

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.6.E: อธิบายแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุโดยการกระจายตัวของมวลทรงกลมสม่ำเสมอ

  • 2.6.E.1 แรงโน้มถ่วงสุทธิที่กระทำต่อวัตถุโดยการกระจายตัวของมวลทรงกลมสม่ำเสมอ คือผลรวมของแรง individuais จากมวลย่อยๆ ที่ประกอบเป็นการกระจายตัวนั้น
  • 2.6.E.2 ทฤษฎีเปลือกหอยของนิวตัน (Newton's shell theorem) อธิบายแรงโน้มถ่วงสุทธิที่กระทำต่อวัตถุโดยเปลือกหอยทรงกลมของมวลที่สม่ำเสมอ
    • 2.6.E.2.i แรงโน้มถ่วงสุทธิที่กระทำต่อวัตถุภายในเปลือกหอยทรงกลมบางจะมีค่าเป็นศูนย์
    • 2.6.E.2.ii แรงโน้มถ่วงสุทธิที่กระทำต่อวัตถุภายนอกเปลือกหอยทรงกลมบางสามารถหาได้โดยการพิจารณาว่าเปลือกหอยนั้นเป็นวัตถุที่มีมวลเพียงชิ้นเดียวตั้งอยู่ที่ศูนย์กลางของเปลือกหอย
    • 2.6.E.2.iii วัตถุที่อยู่ภายในทรงกลมที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอจะได้รับแรงโน้มถ่วงสุทธิจากเพียงมวลบางส่วนเท่านั้นของทรงกลมนั้น
    • 2.6.E.2.iv มวลบางส่วนของทรงกลมที่มีส่วนทำให้เกิดแรงโน้มถ่วงสุทธิที่กระทำต่อวัตถุภายในทรงกลมนั้น คือส่วนของมวลทรงกลมที่地址位于ระยะห่างน้อยกว่าหรือเท่ากับระยะห่างของวัตถุนั้นจากศูนย์กลางทรงกลม และสามารถคำนวณได้จากความหนาแน่นของทรงกลมนั้น
      • สมการที่ได้จาก: $m_{\text{partial}} = \rho \dfrac{4}{3} \pi \left( r_{\text{partial}} \right)^3$
  • 2.6.E.3 แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุภายในทรงกลมที่สม่ำเสมอสามารถพิสูจน์ได้ว่าแปรผันตรงกับระยะห่างของวัตถุนั้นจากศูนย์กลางของทรงกลม
    • สมการที่ได้มา: $F_{g,\text{partial}} = -k r_{\text{partial}}$

คำประกาศขอบเขต: AP Physics C: Mechanics ไม่คาดหวังให้นักเรียนพิสูจน์หรือหาสูตรทฤษฎีเปลือกหอยของนิวตันอย่างคณิตศาสตร์

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

Orbital motion (Kepler's 2nd law)

ใกล้ผิว, น้ำหนักคือ $F_g=mg$. โดยทั่วไป, กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน:

$$F_g=\frac{Gm_1m_2}{r^2},$$
เป็นการดึงดูดและแปรผกผันกับกำลังสอง. สนามแรงโน้มถ่วงคือ $g=\dfrac{GM}{r^2}$.

มวลสองชนิดดึงดูดกันด้วยแรงที่เท่ากัน ตรงข้าม และเป็นกฎกำลังสองผกผันตามเส้นเชื่อมระหว่างมวล
มวลทั้งสองดึงดูดกันด้วยแรงที่มีขนาดเท่ากัน ทิศทางตรงกันข้าม และเป็นแรงแปรผกผันกับกำลังสองตามเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างมวลทั้งสอง
2.7

แรงเสียดทานแบบเคลื่อนที่และแรงเสียดทานแบบหยุดนิ่ง

หลักสูตร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.7.A: อธิบายแรงเสียดทานแบบไถล (kinetic friction) ระหว่างพื้นผิวสองชนิด

  • 2.7.A.1 แรงเสียดทานแบบเคลื่อนที่เกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวสองชนิดที่สัมผัสกันเคลื่อนที่สัมพัทธ์ต่อกัน
    • 2.7.A.1.i แรงเสียดทานแบบไถลจะถูกกระทำในทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของแต่ละพื้นผิวเมื่อเทียบกับอีกพื้นผิวหนึ่ง
    • 2.7.A.1.ii แรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวสองชนิดไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของพื้นที่สัมผัส
  • 2.7.A.2 ขนาดของแรงเสียดทานแบบเคลื่อนที่ที่กระทำต่อวัตถุเท่ากับผลคูณของแรงตั้งฉากที่พื้นผิวกระทำต่อวัตถุและสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแบบเคลื่อนที่
    • สมการ: $\left| \vec{F}_{f,k} \right| = \left| \mu_k \vec{F}_N \right|$
    • 2.7.A.2.i สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแบบเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุของพื้นผิวที่สัมผัสกัน
    • 2.7.A.2.ii แรงตั้งฉากคือองค์ประกอบในแนวตั้งฉากของแรงที่กระทำต่อวัตถุโดยพื้นผิวที่สัมผัสกัน โดยจะมีทิศทางออกจากพื้นผิวนั้น

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.7.B: อธิบายแรงเสียดทานแบบหยุดนิ่งระหว่างพื้นผิวสองชนิด

  • 2.7.B.1 แรงเสียดทานแบบหยุดนิ่งอาจเกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวที่สัมผัสกันของวัตถุสองชิ้นที่ไม่เคลื่อนที่สัมพัทธ์ต่อกัน
  • 2.7.B.2 แรงเสียดทานแบบหยุดนิ่งจะปรับค่าและทิศทางตามที่ต้องการเพื่อป้องกันไม่ให้วัตถุลื่นไถลหรือเลื่อนบนพื้นผิว
    • สมการ: $\left| \vec{F}_{f,s} \right| \leq \left| \mu_s \vec{F}_n \right|$
    • 2.7.B.2.i การลื่นไถลและการเลื่อนหมายถึงสถานการณ์ที่พื้นผิวสองชนิดเคลื่อนที่สัมพัทธ์ต่อกัน
    • 2.7.B.2.ii จะมีค่าสูงสุดสำหรับแรงเสียดทานแบบหยุดนิ่งที่จะสามารถป้องกันไม่ให้วัตถุลื่นไถลบนพื้นผิวที่กำหนดได้
      • สมการที่ได้จาก: $F_{f,s,\text{max}} = \mu_s F_N$
  • 2.7.B.3 สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแบบหยุดนิ่งมักจะมีค่ามากกว่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแบบเคลื่อนที่สำหรับคู่พื้นผิวที่กำหนด

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

แรงเสียดทาน ต้านทานการลื่นไถลบนผิว: แบบเคลื่อนที่ $f_k=\mu_k N$ ขณะลื่นไถล, และ แบบหยุดนิ่ง $f_s\le\mu_s N$ จนถึงค่าสูงสุดก่อนลื่นไถล. $N$ คือ แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก. ระวังเครื่องหมายอสมการ: แรงเสียดทานแบบหยุดนิ่งมีขนาดเท่าที่จำเป็นเท่านั้น, และ $\mu_s N$ คือ เพดาน ของมัน, ไม่ใช่ค่าจริง

ตัวอย่างวิธีทำ. บล็อกเดิมบนระนาบ $30^{\circ}$ เดิม, ตอนนี้เพิ่ม $\mu_k=0.20$. แนวตั้งฉากกับระนาบ: $N=mg\cos30^{\circ}$. ตามแนวระนาบ: $ma=mg\sin30^{\circ}-\mu_k mg\cos30^{\circ}$, ดังนั้น $a=g(\sin30^{\circ}-0.20\cos30^{\circ})=9.8(0.500-0.173)=3.2\ \text{m/s}^2$ – มวลตัดกันอีกครั้ง

สำรวจ

ลื่น BLOCK ลงบนลาดเอียงที่มีแรงเสียดทาน

แรงเสียดทาน ทวนการเคลื่อนที่จนถึงค่าสูงสุด $\mu N$ เอียงลาดเอียงจนกว่าแรงโน้มถ่วงตามแนวลาดจะเหนือกว่าแรงเสียดทานสถิตและ BLOCK เริ่มลื่นไหล

2.8

แรงของสปริง

หลักสูตร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.8.A: อธิบายแรงที่กระทำต่อวัตถุโดยสปริงในอุดมคติ

  • 2.8.A.1 สปริงในอุดมคติมีมวลน้อยจนละเลยได้ และกระทำแรงที่แปรผันตรงกับความเปลี่ยนแปลงของความยาวเมื่อวัดจากความยาวที่ผ่อนคลาย (relaxed length) สปริงที่ไม่ใช่ในอุดมคติอาจมีมวลที่ไม่สามารถละเลยได้ หรือกระทำแรงที่ไม่แปรผันกับความเปลี่ยนแปลงของความยาวเมื่อวัดจากความยาวที่ผ่อนคลาย
  • 2.8.A.2 ขนาดของแรงที่กระทำโดยสปริงในอุดมคติต่อวัตถุกำหนดโดยกฎของฮุก:
    • สมการ: $\vec{F}_s = -k \Delta \vec{x}$
  • 2.8.A.3 แรงที่กระทำต่อวัตถุโดยสปริงจะมีทิศทางเข้าหาตำแหน่งสมดุลของระบบวัตถุ-สปริงเสมอ

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.8.B: อธิบายค่าคงที่สปริงสมมูลของชุดสปริงที่ทำแรงต่อวัตถุ

  • 2.8.B.1 ชุดสปริงที่ทำแรงต่อวัตถุอาจ behaves ราวกับว่าเป็นสปริงเดียวที่มีค่าคงที่สปริงสมมูล $k_{\text{eq}}$
    • 2.8.B.1.i ส่วนกลับของค่าคงที่สปริงสมมูลของชุดสปริงที่ต่อแบบอนุกรม (series) เท่ากับผลรวมของส่วนกลับของค่าคงที่สปริงรายตัว
      • สมการที่ได้จาก: $\dfrac{1}{k_{\text{eq, series}}} = \sum_i \dfrac{1}{k_i} = \dfrac{1}{k_1} + \dfrac{1}{k_2} + \dots$
    • 2.8.B.1.ii ค่าคงที่สปริงสมมูลของชุดสปริงที่ต่อแบบอนุกรมจะมีค่าน้อยกว่าค่าคงที่สปริงรายตัวที่น้อยที่สุด
    • 2.8.B.1.iii ค่าคงที่สปริงสมมูลของชุดสปริงที่ต่อแบบขนาน (parallel) คือผลรวมของค่าคงที่สปริงรายตัว
      • สมการที่ได้จาก: $k_{\text{eq, parallel}} = \sum_i k_i = k_1 + k_2 + \dots$

คำประกาศขอบเขต: AP Physics C: Mechanics คาดหวังให้นักเรียนหาค่าคงที่สปริงที่มีประสิทธิผลของระบบสปริงที่ต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนานเท่านั้น และไม่คาดหวังให้นักเรียนหาค่าคงที่สปริงที่มีประสิทธิผลของระบบที่สปริงต่อทั้งแบบอนุกรมและแบบขนาน

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

Hooke's law & the elastic limit

สปริงอุดมคติปฏิบัติตาม กฎของฮุค $F_s=-kx$, เป็นแรงคืนตัวที่กำหนดโดย ค่าคงที่ของสปริง $k$. พลังงานที่สะสมคือ $U=\tfrac12 kx^2$.

กฎของฮุค: การยืดแปรผันตามน้ำหนักจนกว่าจะถึงขีดจำกัดของการแปรผัน
กฎของฮุค: การยืดแปรผันตามน้ำหนักจนกว่าจะถึงขีดจำกัดของการแปรผัน

สปริงที่รวมกัน behaves เป็น สปริงเทียบเท่า ค่าคงที่ $k_{\text{eq}}$. ใน แบบขนาน (ข้างกัน, แบ่งภาระ) ค่าคงที่บวกกัน, $k_{\text{eq}}=k_1+k_2$ – แข็งกว่า任何一个. ใน แบบอนุกรม (ปลายติดปลาย) ониรวมกันเป็น $\dfrac{1}{k_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{k_1}+\dfrac{1}{k_2}$ – นุ่มกว่าอันที่นุ่มที่สุด. สองสปिंगดึงมวลจากสองด้านที่ตรงข้ามกัน also behaves แบบขนาน, ให้ค่าคงที่คืนตัว $k_1+k_2$. ไม่ว่าคุณจะมีอะไร, ระยะเวลา SHM ใช้ $k_{\text{eq}}$: $T=2\pi\sqrt{m/k_{\text{eq}}}$.

สำรวจ

ยืดสปริง (กฎของฮุค)

แรงของสปริงแปรผันตรงกับระยะยืด $F=kx$ (กฎของฮุค) ดึงแรงขึ้น ระยะยืดก็เพิ่มขึ้นตาม比例 — จนกว่าจะถึงขีดจำกัดของสปริง

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
Hooke's law/hʊks lɔː/ กฎของฮুক
spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่ของสปริง
resistive force/rɪˈzɪstɪv fɔːs/ แรงต้านทาน
2.9

แรงต้านทาน

หลักสูตร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.9.A: อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงต้านทาน

  • 2.9.A.1 แรงต้านทานถูกนิยามว่าเป็นแรงที่ขึ้นอยู่กับความเร็วและมีทิศทางตรงข้ามกับความเร็วของวัตถุ ตัวอย่างเช่น:
    • สมการ: $\vec{F}_r = -k\vec{v}$
  • 2.9.A.2 การประยุกต์ใช้กฎข้อที่สองของนิวตันต่อวัตถุที่มีแรงต้านกระทำ จะทำให้ได้สมการเชิงอนุพันธ์สำหรับความเร็ว
    • 2.9.A.2.i การใช้วิธีแยกตัวแปร สามารถหาค่าความเร็วได้โดยการอินทิเกรตตามขอบเขตการอินทิเกรตที่เหมาะสม
    • 2.9.A.2.ii ความเร่งหรือตำแหน่งของวัตถุที่เคลื่อนที่ภายใต้แรงที่ขึ้นอยู่กับความเร็ว สามารถกำหนดได้โดยใช้เงื่อนไขเริ่มต้นของวัตถุและวิธีการคำนวณเชิงอนุพันธ์ เมื่อได้ฟังก์ชันของความเร็วแล้ว
    • 2.9.A.2.iii ตำแหน่ง ความเร็ว และความเร่งในฐานะฟังก์ชันของเวลาของวัตถุภายใต้แรงต้านในรูป $\vec{F}_r = -k\vec{v}$ จะมีลักษณะเป็นเอกซ์โพเนนเชียล และมีเส้นประ (asymptotes) ที่กำหนดโดยเงื่อนไขเริ่มต้นของวัตถุและแรงที่ทำต่อวัตถุ
  • 2.9.A.3 ความเร็วสูงสุด (terminal velocity) นิยามว่าเป็นความเร็วสูงสุดที่วัตถุสามารถบรรลุได้ขณะเคลื่อนที่ภายใต้แรงคงที่และแรงต้านซึ่งกระทำต่อวัตถุในทิศทางตรงกันข้าม สภาวะความเร็วสูงสุดจะเกิดขึ้นเมื่อผลรวมแรงที่ทำต่อวัตถุเป็นศูนย์

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

แรงต้านทาน (แรงต้าน) ต้านทานการเคลื่อนที่ผ่านของไหลและ เพิ่มขึ้นตามความเร็ว, มักจำลองด้วย $F=-bv$ หรือ $F=-cv^2$. กฎข้อที่สองของนิวตันให้สมการเชิงอนุพันธ์, เช่น $m\dfrac{dv}{dt}=mg-bv$ สำหรับวัตถุตก. เมื่อความเร็วสูงขึ้น, แรงต้านเพิ่มขึ้นจนสมดุลกับแรงขับเคลื่อน; วัตถุหยุดเร่งและเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว สุดท้ายคงที่, หาได้จาก setting แรงสุทธิ (และ $dv/dt$) เป็นศูนย์

ตัวอย่างวิธีทำ. สำหรับวัตถุตกที่มี $m\dfrac{dv}{dt}=mg-bv$, ความเร็วสุดท้ายอยู่ที่ where $\dfrac{dv}{dt}=0$: $mg=bv_T$, ดังนั้น $v_T=\dfrac{mg}{b}$. ด้วย $m=0.10\ \text{kg}$ และ $b=0.50\ \text{kg/s}$, $v_T=\dfrac{0.10(9.8)}{0.50}=2.0\ \text{m/s}$.

เพื่อให้ได้การเคลื่อนที่เต็มรูปแบบ $v(t)$, แยกตัวแปร และอินทิเกรตจากหยุดนิ่ง:

$$\int_0^{v}\frac{dv'}{mg-bv'}=\int_0^{t}\frac{dt'}{m}\;\Rightarrow\;-\frac{1}{b}\ln\!\frac{mg-bv}{mg}=\frac{t}{m},$$
ซึ่งจัดรูปใหม่ได้เป็น $v(t)=v_T\left(1-e^{-bt/m}\right)$ – ความเร็วเพิ่มแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลเข้าใกล้ $v_T$. การแสดงกระบวนการอินทิเกรตนี้เป็นทักษะแคลคูลัสที่ข้อสอบ Free-response ของ Physics C ให้คะแนน ไม่ใช่แค่การท่องจำสูตรสุดท้าย

วัตถุตกผ่านของไหลมีความเร็วเพิ่มจนถึงความเร็วคงที่
วัตถุตกผ่านของไหลมีความเร็วเพิ่มจนถึงความเร็วคงที่
นักกระโดดร่มในภาวะตก bebas: แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้นตามความเร็วจนสมดุลกับน้ำหนักที่ความเร็วสูงสุด
นักกระโดดพารากliderในภาวะตกอย่างอิสระ: แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้นตามความเร็วจนสมดุลกับน้ำหนักที่ความเร็วคงที่
คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ ความเร็วสูงสุด
separate the variables/ˈseprət ðə ˈveərɪəblz/ แยกตัวแปร
centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง
2.10

การเคลื่อนที่วงกลม

หลักสูตร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.10.A: อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เคลื่อนที่ตามเส้นทางวงกลม

  • 2.10.A.1 ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางคือองค์ประกอบของความเร่งของวัตถุที่มีทิศ指向 hacia ศูนย์กลางของเส้นทางวงกลมของวัตถุนั้น
    • 2.10.A.1.i ขนาดของความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางสำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ตามเส้นทางวงกลมคืออัตราส่วนของกำลังสองของความเร็วด้านสัมผัสต่อรัศมีของเส้นทางวงกลม
      • สมการ: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
    • 2.10.A.1.ii ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางมีทิศ指向 towards ศูนย์กลางของเส้นทางวงกลมของวัตถุ
  • 2.10.A.2 ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางอาจเกิดจากแรงเดียว แรงหลายแรง หรือองค์ประกอบของแรงที่กระทำต่อวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่แบบวงกลม
    • 2.10.A.2.i ที่จุดสูงสุดของวงแหวนแนวตั้ง วัตถุลำดับแรกต้องการความเร็วขั้นต่ำเพื่อรักษาการเคลื่อนที่แบบวงกลม ในจุดนี้และด้วยความเร็วขั้นต่ำนี้ แรงโน้มถ่วงเป็นแรงเดียวที่ทำให้เกิดความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง
      • สมการที่ได้จาก: $v = \sqrt{gr}$
    • 2.10.A.2.ii องค์ประกอบของแรงเสียดทานนิ่งและแรงปฏิกิริยาสามารถมีส่วนร่วมในแรงสุทธิที่สร้างความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางของวัตถุที่เคลื่อนที่บนพื้นเอียง
    • 2.10.A.2.iii องค์ประกอบของแรงตึง contributes to แรงสุทธิที่สร้างความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางที่ลูกตุ้มนอกลูกบาศก์ (conical pendulum) สัมผัส
  • 2.10.A.3 ความเร่งด้านสัมผัสคืออัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุและมีทิศ tangent กับเส้นทางวงกลมของวัตถุ
  • 2.10.A.4 ความเร่งสุทธิของวัตถุที่เคลื่อนที่ในวงกลมคือผลบวกเวกเตอร์ของความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางและความเร่งด้านสัมผัส
  • 2.10.A.5 การหมุนรอบของวัตถุที่เคลื่อนที่ตามเส้นทางวงกลมด้วยความเร็วคงที่ (การเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ) สามารถอธิบายได้ด้วยคาบและความถี่
    • 2.10.A.5.i เวลาที่ใช้ในการ走完เส้นทางวงกลมหนึ่งเต็มรอบ การหมุนหนึ่งเต็มรอบ หรือการสั่นสะเทือนหนึ่งรอบเต็มถูกนิยามว่า คาบ, $T$
    • 2.10.A.5.ii อัตราที่วัตถุหมุนรอบครบถูกนิยามว่า ความถี่, $f$
      • สมการ: $T = \dfrac{1}{f}$
    • 2.10.A.5.iii สำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ตามเส้นทางวงกลม คาบกำหนดโดยสมการที่ได้มา
      • สมการที่ได้จาก: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.10.B: อธิบายวงโคจรแบบวงกลมโดยใช้กฎที่สามของเคปเลอร์

  • 2.10.B.1 สำหรับดาวเทียมในวงโคจรแบบวงกลมรอบร่างกายหลัก ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางของดาวเทียมเกิดจากการดึงดูดของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น คาบและรัศมีของวงโคจรแบบวงกลมสัมพันธ์กับมวลของร่างกายหลัก
    • สมการที่ได้มา: $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

คำกล่าวจำกัดขอบเขต: AP Physics C: Mechanics does not expect students to know Kepler's first or second laws of planetary motion.

แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP

การเคลื่อนที่วงกลมสม่ำเสมอ

การเคลื่อนที่วงกลมแบบสม่ำเสมอมี ความเร่งเข้าศูนย์กลาง $a_c=\dfrac{v^2}{r}$ ชี้เข้าหาจุดกึ่งกลาง ซึ่งจำเป็นต้องมี แรงสุทธิเข้าด้านใน $F_c=\dfrac{mv^2}{r}$ ที่เกิดจากแรงจริง (แรงตึง, แรงโน้มถ่วง, แรงเสียดทาน, แรงปกติ) ไม่มีแรงผลักออกด้านนอก สำหรับวงกลมแนวตั้งและโค้ง banking ให้แยกองค์ประกอบของแรงจริงเพื่อหาว่าแรงใดให้แรงเข้าศูนย์กลางที่ต้องการ

ตัวอย่างคำนวณ. ลูกบอล $0.50\ \text{kg}$ หมุนวนบนเชือกยาว $1.0\ \text{m}$ ในวงกลมแนวนอนด้วยความเร็ว $3.0\ \text{m/s}$ แรงตึงของเชือกให้แรงเข้าศูนย์กลางทั้งหมด: $T=\dfrac{mv^2}{r}=\dfrac{0.50(3.0)^2}{1.0}=4.5\ \text{N}$.

ตัวอย่างคำนวณ (วงกลมแนวตั้ง). ที่ยอดของห่วงวงกลมรัศมี $r$ ทั้งแรงโน้มถ่วงและแรงปกติ ชี้เข้าหาจุดกึ่งกลาง: $N+mg=\dfrac{mv^2}{r}$. ความเร็วต่ำสุดที่เป็นไปได้ที่ยอดคือตำแหน่งที่รางไม่ดันอะไรเลย ($N=0$): $v_{\min}=\sqrt{gr}$. สำหรับ $r=2.5\ \text{m}$: $v_{\min}=\sqrt{9.8(2.5)}=4.9\ \text{m/s}$. ถ้าช้ากว่านี้รถจะหลุดจากรางก่อนถึงยอด

ความเร็วชี้ไปตามเส้นสัมผัส; แรงเข้าศูนย์กลางชี้เข้าหาจุดกึ่งกลาง
ความเร็วชี้ไปตามเส้นสัมผัส; แรงเข้าศูนย์กลางชี้เข้าหาจุดกึ่งกลาง
2.10

ข้อแนะนำสำหรับการสอบ

  • หา จุดศูนย์กลางมวล ด้วย $x_{cm}=\tfrac{1}{M}\int x\,dm$ (หรือ $\tfrac{\sum m_i x_i}{\sum m_i}$ สำหรับมวลจุด) และใช้ $\lambda,\sigma,\rho$ สำหรับองค์ประกอบมวล
  • แรงภายนอกสุทธิทำให้จุดศูนย์กลางมวลเคลื่อนที่ราวกับมวลทั้งหมดรวมอยู่ที่นั่น: $\vec F_{net}=M\vec a_{cm}$.
  • กำหนด ระบบ ของคุณให้ชัดเจน – แรงภายในจะหักล้างกัน ดังนั้นมีเพียงแรงภายนอกเท่านั้นที่จะเปลี่ยนโมเมนตัมของมัน
  • ใช้สมมาตรเพื่อลดทอนการอินทิเกรตจุดศูนย์กลางมวล
  • แยกแยะระหว่างจุดศูนย์กลางมวลกับจุดศูนย์กลางของแรงโน้มถ่วง (เท่ากันในสนามสม่ำเสมอ)

บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้

ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที

ข้อสอบย้อนหลัง

หัวข้อเพิ่มเติมใน AP Physics C: กลศาสตร์

เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี

IGCSE, A-Level & AP