ประเภทของแรงระหว่างวัตถุ

          เมื่อวัตถุสัมผัสกันจะมีแรงกระทำระหว่างวัตถุที่ผิวสัมผัส ในหัวข้อที่ผ่านมาเป็นการศึกษา ส่วนประกอบของแรงนี้ในแนวตั้งฉากกับผิวสัมผัสที่เรียกว่าแรงตั้งฉากสำหรับในหัวข้อนี้จะศึกษาส่วนประกอบของแรงในแนวขนานกับผิวสัมผัส ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่หรือพยายามเคลื่อนที่ตาม แนวผิวสัมผัส ส่วนประกอบของแรงเช่นนี้เรียกว่า แรงเสียดทาน และเรียกสาวะที่เกิดขึ้นว่า ผิวมีความเสียดทาน (Triction)

          ความเสียดทานเกิดขึ้นได้เสมอ บ่อยครั้งวิศวกรมักพยายามลดความเสียดทาน เช่น การใช้น้ำมันหล่อลื่นระหว่างลูกสูบกับผนังกระบอกสูบในเครื่องยนต์ หรือการใช้ลูกกลิ้งที่ขาเก้าอี้ เป็นต้น อย่างไรก็ดีมีหลายเหตุการณ์ที่จำเป็นต้องใช้แรงเสียดทาน เช่น รถยนต์เคลื่อนที่ได้จากแรงเสียดทานระหว่างผิวของยางรถยนต์กับพื้นถนนในกรณีที่มีน้ำอยู่ระหว่างผิวยางกับพื้นถนนความเสียดทานจะลดลงวิศวกรจึงออกแบบให้มีดอกยางเพื่อรวมน้ำไว้ในร่องของดอกยาง จากนั้นเบี่ยงให้น้ำออกจากผิวสัมผัสยางรถยนต์ก็จะไม่ไกลแรงเสียดทานเกิดขึ้นได้ทั้งกรณีที่วัตถุหยุดนิ่งและเคลื่อนที่บนผิวที่สัมผัสอยู่เมื่อมีแรง F กระทำต่อวัตถุในทิศชี้ทางขวามือแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่แสดงว่าแรง F พยายามดึงวัตถุให้เคลื่อนที่ไปทางขวามือแต่มีแรงเสียดทาน f จากพื้นกระทำต่อวัตถุในทิศชี้ทางซ้ายมือ หากเปลี่ยนทิศของแรง F ไปทางซ้ายมือดังภาพ 1 (ข)

ภาพที่ 1 แรงเสียดทาน
ที่มา : https://www.trueplookpanya.com/knowledge/content/65012/-sciphy-sci-

ภาพที่ 2 ทิศทางของแรงเสียดทาน
ที่มา : กัญญา  เกื้อกูล

          แรงเสียดทานบนวัตถุจะเปลี่ยนไปอยู่ในทิศชี้ทางขวามือจะเห็นได้ว่าในกรณีที่วัตถุไม่เคลื่อนที่แรงเสียดทานบนวัตถุมีทิศที่ขัดขวางไม่ให้วัตถุเริ่มเคลื่อนที่หรือไกลบนผิวที่สัมผัสอยู่ในกรณีที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่บนผิวสัมผัสไปทางขวามือดังภาพ 2 (ค)

          แรงเสียดทานจากพื้นที่กระทำต่อวัตถุจะมีทิศชี้ทางซ้ายมือเพื่อพยายามหยุดการเคลื่อนที่ของวัตถุบนผิวสัมผัสในทำนองเดียวกันเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ไปทางซ้ายมือแรงเสียดทานบนวัตถุจะมีทิศชี้ทางขวามือดังภาพ 2 (ง) สรุปได้ว่า ในกรณีที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่ทิศของแรงเสียดทานจะต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุบนผิวสัมผัส

          สำหรับขนาดของแรงเสียดทานสามารถใช้ประสบการณ์ในชีวิตประจำวันพิจารณาร่วมกับภาพ 2 ได้ในตอนเริ่มต้นวัตถุในภาพ 2 (ก) อยู่นิ่งบนพื้นหากไม่มีแรงใดพยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ย่อมไม่มีแรงเสียดทานที่พื้นกระทำต่อวัตถุ จากนั้นเมื่อมีแรง F กระทำต่อวัตถุ หากแรง F มีขนาดไม่มากประสบการณ์บอกเราว่าวัตถุจะไม่เคลื่อนที่แสดงว่าต้องมีแรงเสียดทานจากพื้นกระทำต่อวัตถุในทิศตรงกันข้ามกับแรง F อีกทั้งยังต้องมีขนาดเท่ากับแรง F ด้วย กล่าวคือ f = F ทั้งนี้ เพื่อให้แรงทั้งสองหักล้างกันหรือแรงลัพธ์บนวัตถุเท่ากับศูนย์นั่นเอง (F = 0) 

ภาพที่ 3 ขนาดของแรงเสียดทาน
ที่มา : กัญญา  เกื้อกูล

          จากนั้นเมื่อเพิ่มแรง F ให้มากขึ้นอีก แต่วัตถุยังคงไม่เคลื่อนที่ดังภาพ 3 (ข) (สังเกตความยาวของลูกศร F ที่มากขึ้น) แสดงว่าแรงเสียดทานต้องมีขนาดเพิ่มขึ้นด้วยและยังคงเท่ากับขนาดของแรง F เพื่อทำให้แรงลัพธ์บนวัตถุยังคงเท่ากับศูนย์ เรียกความเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่วัตถุไม่มีการเคลื่อนที่บนผิวสัมผัสว่าความเสียดทานสถิต (static triction) และเรียกแรงเสียดทานในขณะนั้นว่า แรงเสียดทานสถิต (static frictional force) อย่างไรก็ดี เมื่อเพิ่มแรง F มากขึ้นเรื่อย ๆ จะถึงจุดที่วัตถุเริ่มเคลื่อนที่ดังภาพ 3 (ค) ที่ จุดนี้แรงเสียดทานจะมีค่ามากที่สุดโดยเรียกว่า แรงเสียดทานสถิตมากที่สุด ซึ่งให้แทนด้วย F_s (ตัวห้อย s มาจากคำว่า static) ขนาดของแรงเสียดทานมากที่สุดขึ้นอยู่กับปัจจัยสองอย่าง ปัจจัยแรกคือประเภทของวัสดุ ระหว่างผิวสัมผัส เช่น ไม้สัมผัสกับยาง เป็นต้น ปัจจัยนี้สามารถหาได้จากการทดลอง โดยแทนได้ ด้วย µ (µ เป็นอักษรกรีกอ่านว่า มิว) ซึ่งเรียกว่า สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิต (coefficient of static triction)

         ปัจจัยที่สองขึ้นอยู่กับว่าผิวถูกกดเข้าหากันมากน้อยเพียงใด สำหรับผิวสัมผัสที่ทำจากวัสดุคู่หนึ่ง                  เมื่อผิวสัมผัสถูกกดเข้าหากันมากย่อมทำให้เกิดแรงเสียดทานสถิตมากที่สุดมากกว่ากรณีที่ถูกกดน้อย และเนื่องจากขนาดของแรงตั้งฉาก F_N แสดงถึงผิวสัมผัสที่ถูกกดมากหรือน้อย ดังนั้นขนาดของแรงเสียดทานสถิตมากที่สุดจึงขึ้นอยู่กับขนาดของแรงตั้งฉากที่ผิวสัมผัสเดียวกัน

จากที่กล่าวมาจะเขียนความสัมพันธ์ของขนาดแรงเสียดทานสถิตมากที่สุดได้ดังนี้

F_s = µ_sF_N…………………………(1)

          ข้อควรสังเกตคือ สมการ 1 ไม่ใช่กฎพื้นฐาน แต่เป็นเพียงความสัมพันธ์ที่ได้จากการทดลองระหว่างขนาดของแรงเสียดทานสถิตมากที่สุดซึ่งอยู่ในแนวขนานกับผิวสัมผัสกับขนาดของแรงตั้งฉากซึ่งอยู่ในทิศตั้งฉากกับผิวสัมผัส สมการนี้จึงไม่ใช่สมการเวกเตอร์

          ย้อนกลับไปยังภาพ 2 (ค) เมื่อเพิ่มขนาดของแรง F_k ให้มากกว่าขนาดของแรง F_s เพียง เล็กน้อยวัตถุจะเริ่มเลื่อนหรือเคลื่อนที่บนผิวของอีกวัตถุหนึ่งดังภาพ 2 (ง) และจากประสบการณ์ อีกเช่นกันพบว่าแรงเสียดทานในขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ลดลงจากแรงเสียดทานสถิตมากที่สุด เรียกแรงเสียดทานในขณะนี้ว่า แรงเสียดทานจลน์ (kinetic frictional force) และเรียกประเภทของความเสียดทานนี้ว่า ความเสียดทานจลน์ (kinetic friction)

          การแรงเสียดทานจลน์แทนได้ด้วย F_k (ตัวห้อย k มาจากคําว่า kinetic) โดยยังคงขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุระหว่างผิวสัมผัสกับขนาดของแรงตั้งฉากที่ผิวสัมผัสอย่างไรก็ดี สภาวะของผิวสัมผัสที่เปลี่ยนแปลงไปทำให้สัมประสิทธิ์ความเสียดทานในขณะนั้นน้อยกว่า, เรียกสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน เช่นนี้ว่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ (coeficient of kinetic friction) และแทนด้วย µ_k ดังนั้น

F_k = µ_kF_N    …………………………... (2)

          โดยทั่วไปแล้วแรงเสียดทานจลน์ตามสมการ 2  สามารถประมาณให้มีค่าคงตัวได้โดย µ_k มักมีค่าน้อยกว่า แต่หากไม่ได้กำหนดอย่างเจาะจงแล้วสามารถประมาณ ให้ µ_k= µ_s ได้ สาเหตุที่ความเสียดทานสถิตมากกว่าความเสียดทานจลน์ เนื่องจากผิวสัมผัสที่ดูภายนอกเรียบแต่แท้จริงแล้วในระดับจุลทรรศน์จะมีความขรุขระ                     เมื่อผิวสัมผัสอยู่ในสภาวะสถิต ส่วนที่ยื่นกับส่วนที่ยุบระหว่างผิวสัมผัสสามารถสอดเข้าหากันได้ลึกก่อให้เกิดการเกี่ยวตัวกันอย่างแข็งแรง ซึ่งอาจรวมถึงการเกิดพันธะระหว่างโมเลกุลด้วย แต่เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ผิวสัมผัสจะเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันทำให้ส่วนที่ยื่นของผิวสัมผัสกระทบกัน ซึ่งทำให้เกิดความเสียดทานน้อยกว่า

แหล่งที่มา

พงษ์ศักดิ์  ชินนาบุญ. (2554). ฟิสิกส์  เล่ม 1 . กรุงเทพฯ:วิทยพัฒน์.

Plook Creator. (2561). แรงเสียดทาน. สืบค้นเมื่อ 8  เมษายน  2562, จาก   https://www.trueplookpanya.com/knowledge/content/65012/-sciphy-sci-

 กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมกับการชน

           การชนของวัตถุเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้เสมอในชีวิตประจำวัน การชนเกิดขึ้นได้หลายรูปแบบในชีวิตประจำวัน ในวัตถุที่มีขนาดใหญ่จะพบและสังเกตได้ง่าย เช่น รถชนกันการเตะลูกบอล และการตอกตะปูในระดับอะตอมการชนมีรูปแบบแตกต่างกันออกไป อะตอมมักไม่ได้สัมผัสกันโดยตรง แต่แรงที่อะตอมกระทำต่อกันมีค่ามากและกระทำในช่วงเวลาสั้น ๆ จนทำให้ระบุสภาวะก่อนชนกับหลังชนได้อย่างชัดเจนรูปแบบเช่นนี้สามารถกำหนดให้เกิดการชนได้เช่นเดียวกัน โดยพื้นฐานแล้วการชนเป็นการกระทำระหว่างวัตถุที่แรงในการชนเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้น ๆ และมีขนาดใหญ่การชนส่วนใหญ่จึงมักไม่ทราบว่าแรงเปลี่ยนตามเวลาอย่างไร ทำให้วิเคราะห์การชนโดยตรง ด้วยกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตันได้ยากหรือแทบเป็นไปไม่ได้เลย แต่หากใช้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมกับระบบที่ประกอบด้วยวัตถุที่ชนกันแล้วจะสามารถวิเคราะห์การชนได้โดยไม่จำเป็นต้องทราบรายละเอียดของแรง ที่เกิดขึ้น ในหัวข้อนี้จึงจะศึกษาการใช้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมกับการชน  ซึ่งใช้แนวคิดเดียวกันกับหัวข้อที่ผ่านมาแต่จะมีบางสิ่งเพิ่มเติมคือการพิจารณาพลังงานในการชน ซึ่งจะใช้ระบุประเภทของการชนด้วย

          หากวัตถุชนกันบนพื้น แรงตั้งฉากจากพื้นจะรองรับน้ำหนักของวัตถุไว้ แต่หากไม่มีพื้นรองรับน้ำหนักของวัตถุรวมไปถึงแรงเสียดทานและแรงภายนอกอื่น ๆ ก็ยังคงมีค่าน้อยจนทิ้งได้เมื่อเทียบกับแรงที่เกิดระหว่างวัตถุที่ชนกันในเวลาสั้น ๆ กล่าวอีกนัยได้ว่าหากแรงลัพธ์จากภายนอกมีค่าน้อยกว่าแรงภายในระบบที่เกิดขึ้นระหว่างการชนมากแล้ว การเปลี่ยนโมเมนตัมของระบบน้อยมากเมื่อเทียบกับการถ่ายโอนโมเมนตัมของวัตถุภายในระบบ ดังนั้นจึงประมาณได้ว่า  การชนมีการอนุรักษ์โมเมนตัมนั่นคือ โมเมนตัมรวมก่อนชน = โมเมนตัมรวมหลังชน

           นอกเหนือจากการใช้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเป็นหลักในการวิเคราะห์การชนแล้วในหัวข้อนี้ยังจะ พิจารณาพลังงานในระหว่างการชนด้วย โดยจะใช้หลักเกณฑ์ด้านพลังงานนี้จำแนกประเภทของการชนให้ศึกษา ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการตีลูกเทนนิสในภาพ

ภาพการตีลูกเทนนิส
ที่มา : https://pixabay.com , TonnyNijkrake

          ในมุมมองด้านพลังงานก่อนที่ลูกเทนนิสจะถูกตีไม้และลูกเทนนิสจะมีพลังงานจลน์รวมกันค่าหนึ่ง จากนั้นในระหว่างที่ไม้และลูกเทนนิสสัมผัสกันพลังงานจลน์ส่วนหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่น ซึ่งเห็นได้จากการเปลี่ยนรูปของเอ็นซึ่งหน้าไม้และลูกเทนนิสดังแสดงในภาพ  หากภายหลังการชนไม้และลูกเทนนิสสามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมเหมือนกับก่อนที่จะเกิดการชนได้พลังงานศักย์ยืดหยุ่น การเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นในระหว่างที่สัมผัสกันย่อมเปลี่ยนกลับไปเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมดในการตีลูกเทนนิส เรียกการชนเช่นนี้ว่า การชนแบบยืดหยุ่น (elastic collision) ซึ่งสามารถให้คำจำกัดความได้ว่า

          การชนแบบยืดหยุ่นเป็นการชนที่พลังงานจลน์รวมของระบบก่อนชนเท่ากับพลังงานจลน์รวมของระบบหลังชน

นั้นคือ

พลังงานจลน์รวมก่อนชน =พลังงานจลน์รวมหลังชน (การชนแบบยืดหยุ่น)

         คำอธิบายที่ผ่านมามีความหมายว่า หากโจทย์กำหนดให้เป็นการชนแบบยืดหยุ่นหรือพิสูจน์ได้ว่า เป็นการชนแบบยืดหยุ่นแล้ว จะสามารถใช้สมการพลังงานจลน์รวมคงตัวร่วมกับสมการกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมได้

          ตัวอย่างการชนแบบยืดหยุ่น เช่น การชนของวัตถุที่มีสปริงติดอยู่ระหว่างวัตถุดังภาพ 2 (ก) เมื่อวัตถุชนกันสปริงจะถูกกดชั่วขณะ โดยมีพลังงานจลน์บางส่วนเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่นในสปริง จากนั้นเมื่อวัตถุแยกออกจากกัน สปริงจะขยายตัวทำให้พลังงานศักย์ยืดหยุ่นเปลี่ยนกลับไปเป็นพลังงานจลน์อย่างไรก็ดีโดยทั่วไปการชนของวัตถุขนาดใหญ่จะมีการเปลี่ยนรูปเสมอ ทำให้มักไม่เป็นการชนแบบยืดหยุ่น แต่การชนของลูกเหล็กหรือลูกบิลเลียดในภาพ 2 (ข) อาจจะประมาณเป็นการชนแบบยืดหยุ่นได้ สาเหตุเนื่องจากภายหลังชนกันวัตถุมีการเปลี่ยนรูปน้อยมาก แต่สำหรับการชนในระดับอะตอมมักเป็นการชนแบบยืดหยุ่น เนื่องจากอะตอมไม่มีการสัมผัสกันโดยตรง ทำให้พลังงานจลน์รวมของระบบค่อนข้างคงตัว แม้ว่าอาจจะมีการเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือพลังงานในอะตอมบ้างก็ตาม

          การชนแบบยืดหยุ่นเป็นเพียงการชนประเภทหนึ่งเท่านั้น ยังมีการชนอีกรูปแบบหนึ่งซึ่งภายหลังการชน วัตถุไม่สามารถคืนรูปกลับสู่สภาพเดิมได้หรือมีความร้อนเกิดขึ้น รวมไปถึงมีการเปลี่ยนพลังงานจลน์ของระบบ ไปเป็นพลังงานรูปอื่นๆ ในกรณีเช่นนี้พลังงานจลน์รวมของระบบจะไม่คงเดิม เรียกการชนนี้ว่า การชนแบบไม่ยืดหยุ่น (inelastic collision) การชนโดยส่วนใหญ่ในชีวิตประจำวันเป็นการชนแบบไม่ยืดหยุ่น เช่น การชนกันของรถยนต์ซึ่งสังเกต ได้จากตัวถังรถยนต์ที่เปลี่ยนไป เป็นต้น การชนแบบไม่ยืดหยุ่นสามารถแบ่งย่อยออกเป็น 2 กรณี คือ กรณีแรก เป็นการชนที่พลังงานศักย์ยืดหยุ่นเปลี่ยนกลับไปเป็นพลังงานจลน์บ้างแต่ไม่ทั้งหมด เช่น การชนของรถยนต์ที่กระดอนออกจากกันคนละทิศทาง ในกรณีนี้รถจะคืนตัวเป็นบางส่วนแต่ไม่สามารถคืนรูปเดิมได้ทั้งหมด ใน กรณีที่สองภายหลังชนกันแล้วพลังงานศักย์ยืดหยุ่นเปลี่ยนกลับไปเป็นพลังงานจลน์น้อยมาก หรืออาจไม่มีการ เปลี่ยนรูปกลับไปเป็นพลังงานจลน์เลย ในกรณีนี้พลังงานจลน์ของระบบจะเปลี่ยนแปลงมากที่สุด เช่น รถที่ชนกัน แล้วเคลื่อนที่ติดกันไปเป็นวัตถุเดียวกัน เป็นต้น เรียกการชนแบบไม่ยืดหยุ่นเช่นนี้ว่า การชนแบบไม่ยืดหยุ่น สมบูรณ์ (completely inelastic collision) โดยสามารถให้คำจำกัดความได้ว่าการชนแบบไม่ยืดหยุ่นเป็นการชนที่พลังงานจลน์รวมของระบบก่อนชนไม่เท่ากับพลังงานจลน์รวมของระบบหลังชน โดยหากหลังชนวัตถุเคลื่อนที่ติดกันไปจะเรียกว่า การชนแบบไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์

แหล่งที่มา

พงษ์ศักดิ์  ชินนาบุญ. (2554). ฟิสิกส์  เล่ม 1 . กรุงเทพฯ:วิทยพัฒน์.

บางเบา ธีม. (2559). กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม. สืบค้นเมื่อ 8  เมษายน  2562. จาก   http://physicmomentum5.blogspot.com/2016/08/blog-post_95.html

Madame_Butterfly. (2559). เทคนิคการจับไม้เทนนิสและตีลูก. สืบค้นเมื่อ 8  เมษายน  2562. จาก   

https://www.central.co.th/e-shopping/how-to-grip-a-tennis-racket/