แรงลอยตัวคืออะไร

          แรงลอยตัวคือแรงที่ช่วยพยุงวัตถุไม่ให้จมลงไปในของเหลว โดยมีขนาดขึ้นอยู่กับ ความหนาแน่นของของเหลวนั้น และปริมาตรของงวัตถุส่วนที่จมลงไปในของเหลว

ความหนาแน่นของวัตถุ

          ความหนาแน่นของวัตถุคือ อัตราส่วนระหว่างปริมาตรและน้ำหนักของวัตถุ โดยวัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะมีน้ำหนักมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบ ในปริมาตรที่เท่ากัน

• วัตถุจะไม่จมลงไปในของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว
• วัตถุจะลอยปริ่มของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับของเหลว
• วัตถุจะจมลงไปในของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว

         แรงลอยตัว (bouyant force) หรือแรงพยุงของของเหลวเป็นไปตามหลักการของ อาร์คิเมดิส (Archimedes' Principle) ซึ่งกล่าวว่า "แรงลอยตัวหรือแรงพยุงที่ของเหลวกระทำต่อวัตถุ มีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมอยู่ในของเหลว"

ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php

1. ถ้าเราต้องการหาขนาดของแรงลอยตัวที่กระทำกับวัตถุ ก็ให้นำวัตถุมาหย่อนลงในถ้วยยูเรก้า หรือภาชนะอื่นๆ ที่มีช่องทางให้น้ำล้นออกมาได้ แต่ต้องบรรจุน้ำไว้ให้เต็ม

ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php

2. เมื่อหย่อนวัตถุลงไป ให้เตรียมภาชนะอีกใบรองรับน้ำที่ล้นออกมา

ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php

3. อยากทราบแรงลอยตัว ก็นำน้ำที่ล้นออกมาทั้งหมดไปชั่งน้ำหนัก เพราะแรงลอยตัวที่กระทำกับวัตถุ = น้ำหนักของน้ำส่วนที่ล้นออกมา

ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php

แรงลอยตัวอาจจะมากจนพยุงให้วัตถุลอยน้ำอยู่ได้ หรือไม่มากพอซึ่งวัตถุก็ยังจะจมลงน้ำ ทั้งนี้ก็ขึ้นกับความหนาแน่นของวัตถุ พิจารณาสมดุลของแรงที่กระทำต่อวัตถุ  ดังรูป

(ที่มาภาพ www.mwit.ac.th/~ampornke/content.../pdf.../05_Archimedis_Principle_1.pdf)

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงพยุงกับความดันของของเหลว      

          ขณะที่วัตถุอยู่ในน้ำ ความดันน้ำจะทำให้มีแรงกระทำต่อวัตถุทุกทิศทุกทาง เมื่อรวมแรงทุกแรงแล้ว แรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านล่างของวัตถุในทิศขึ้นจะมีขนาดมากกว่าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านบนของวัตถุในทิศลง เนื่องจากความดันภายในของเหลวมีค่ามากขึ้นเมื่ออยู่ลึกมากขึ้น

          ดังนั้นความดันของน้ำที่ส่วนล่างมีค่ามากกว่าความดันของน้ำส่วนบน จากการรวมแรงทั้งหมดที่น้ำกระทำต่อวัตถุจึงเป็นแรงลัพธ์ของแรงที่มีทิศขึ้นเรียกแรงลัพธ์ของแรงลัพธ์นี้ว่า "แรงพยุงขึ้น" หรือ "แรงลอยตัว (Buoyant force)"

        ในการชั่งวัตถุในอากาศและในของเหลว พบว่าเมื่อชั่งวัตถุในของเหลว น้ำหนักของวัตถุมีค่าน้อยกว่าเมื่อชั่งวัตถุในอากาศ เพราะในของเหลว น้ำหนักของวัตถุมีค่าน้อยกว่าเมื่อชั่งวัตถุในอากาศ เพราะในของเหลวมีแรงพยุงขึ้นหรือแรงลอยตัวของของเหลวนั่นเอง

การลอยและการจมของวัตถุในของเหลว   

         ในชีวิตประจำวันพบว่าในชีวิตประจำวันมีวัตถุหลายชนิดที่ลอยในของเหลวได้ เช่น โฟม ไม้ ขวดพลาสติก ใบไม้ต่างๆ เรือ สามารถลอยน้ำได้ และมีวัตถุอีกจำนวนมากที่จมลงในของเหลว เช่น ก้อนหิน ตะปู เหล็ก ลูกแก้ว เป็นต้น

การลอยของวัตถุในของเหลว
          วัตถุสามารถขอลในของเหลวใดๆ เพราะวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวชนิดนั้น เช่น น้ำแข็งก้อนหนึ่งมีความหนาแน่น 0.92 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร สามารถลอยได้ในน้ำซึ่งมีความหนาแน่น 1 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และแรงดันของน้ำที่ดันวัตถุให้ลอยขึ้นมา แรงนี้คือแรงพยุงขึ้นหรือแรงลอยตัวนั่นเอง

  การลอยของวัตถุในของเหลวมี 2 แบบ คือ

1) วัตถุลอย  เนื่องจากวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว และแรงพยุงของของเหลวจะทำให้วัตถุลอยขึ้นไปยังผิวน้ำ

ที่มา : https://sukanyadru.files.wordpress.com/2014/01/n3-63-copy.gif

 2) วัตถุลอยปริ่ม  เนื่องจากวัตถุนั้นมีความหนาแน่นเท่ากับความหนาแน่นของของเหลว และแรงพยุงของของเหลวเท่ากับความหนาแน่นของวัตถุพอดีทำให้วัตถุลอยปริ่มในของเหลวนั้นๆ

ที่มา : https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTMNGRvGAm7_fgy59WE7f6_m4Ah87bysoDxuID3VTI9t6I-lvi0

สูตรคำนวณแรงลอยตัว (Buoyant Force)

         แรงลอยตัว มีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ด้วยวัตถุ
            ถ้าให้

                rL      เป็นความหนาแน่นของของเหลว
                FB     เป็น แรงลอยตัว
                VL     เป็น ปริมาตรวัตถุส่วนที่จมในของเหลว
                 g      เป็นค่าความเร่งโน้มถ่วงของโลก
                 mg      เป็นน้ำหนักของวัตถุในอากาศ

ในกรณีวัตถุจม

       ขนาดแรงลอยตัว  =  ขนาดน้ำหนักของเหลวที่มีปริมาตรเท่าวัตถุ

ในกรณีวัตถุลอย          

       ขนาดแรงลอยตัว  =  ขนาดน้ำหนักของเหลวที่มีปริมาตรเท่าวัตถุส่วนที่จมในของเหลว     

ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับแรงลอยตัว ได้แก่

1. ชนิดของวัตถุ  วัตถุจะมีความหนาแน่นแตกต่างกันออกไปยิ่งวัตถุมีความหนาแน่นมาก ก็ยิ่งจมลงไปในของเหลวมากยิ่งขึ้น
2. ชนิดของของเหลว ยิ่งของเหลวมีความหนาแน่นมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นด้วย
3. ขนาดของวัตถุ  จะส่งผลต่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลว เมื่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นอีกด้วย

ไฮโดรมิเตอร์ (hydrometer) 

        เป็นอุปกรณ์สำหรับใช้วัดความหนาแน่นของของเหลว โดยใช้หลักการเกี่ยวกับการลอยและการจมของวัตถุในของเหลว ไฮโดรมิเตอร์ประกอบด้วยหลอดแก้วยาวที่มีปลายปิดทั้งสองข้าง ปลายข้างหนึ่งเป็นกระเปาะสำหรับบรรจุเม็ดโลหะเล็กๆ เมื่อนำไฮโดรมิเตอร์ไปลอยในของเหลวต่างชนิดกัน ไฮโดรมิเตอร์จะจมได้ลึกไม่เท่ากัน บนหลอดแก้วมีสเกลบอกความหนาแน่นสัมพัทธ์กับความหนาแน่นของน้ำ

หลักการของไฮโดรมิเตอร์
        เมื่อนำวัตถุชนิดหนึ่งไปลอยในของเหลวต่างชนิดกัน วัตถุจะมีส่วนที่จมและลอยในของเหลวแต่ละชนิดไม่เท่ากัน เช่น นำแท่งไม้ไปลอยในน้ำเชื่อม น้ำ แอลกอฮอล์ พบว่า แท่งไม้จมแอลกอฮอล์มากที่สุด รองลงมาเป็นน้ำและน้ำเชื่อมตามลำดับ สรุปได้ว่า แท่งไม้จมได้น้อยในของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก และจมได้มากในของเหลวที่มีความหนาแน่นน้อย ดังนั้น ความลึกของส่วนที่จมของวัตถุในของเหลวใดๆ จึงบอกความหนาแน่นของของเหลวนั้นได้

แหล่งที่มา

แรงลอยตัว. สืบค้นเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม จาก
      http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/buoyant.htm

แรงพยุงของของเหลว/แรงลอยตัว. สืบค้นเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม จาก
      https://sites.google.com/site/sciroom23101/page4-1

แรงลอยตัวและหลักของอาร์คิมีดีส. สืบค้นเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม 2560. จาก
      mwit.ac.th/~ampornke/content.../pdf.../05_Archimedis_Principle_1.pdf

แรงเสียดทานเป็นอย่างไร

      แรงเสียดทาน หมายถึง แรงที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ 2 ชิ้นที่สัมผัสกัน ซึ่งแรงนี้เป็นแรงที่ผิววัตถุผิวหนึ่งต้านทานการเคลื่อนที่ของผิววุตถุอีกผิวหนึ่ง ส่งผลทำให้วัตถุเคลื่อนที่ช้าลงเรื่อยๆ จนกระทั่งหยุดนิ่งในที่สุด

 แรงเสียดทาน (friction) เป็นแรงที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุหนึ่งพยายามเคลื่อนที่ หรือกำลังเคลื่อนที่ไปบนผิวของอีกวัตถุ เนื่องจากมีแรงมากระทำ มีลักษณะที่สำคัญ ดังนี้
            1. เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ
            2. มีทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่หรือตรงข้ามทิศทางของแรงที่พยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ดังรูป

         ถ้าวาง A อยู่บนวัตถุ B ออกแรง ลากวัตถุ วัตถุ A จะเคลื่อนที่หรือไม่ก็ตาม จะมีแรงเสียดทานเกิดขึ้นระหว่างผิวของ A และ B แรงเสียดทานมีทิศทางตรงกันข้ามกับแรง   ที่พยายามต่อต้านการเคลื่อนที่ของ A

ธรรมชาติของแรงเสียดทาน

        แรงเสียดทานจะกระทำในทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ ถ้าไม่มีแรงเสียดทานวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราคงตัวตลอดการเคลื่อนที่ แต่เมื่อมีแรงเสียดทานวัตถุจะเคลื่อนที่ช้าลงเรื่อย ๆ จนหยุดนิ่งในที่สุด  ขนาดของแรงเสียดทานจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับลักษณะของผิวสัมผัส และน้ำหนักของวัตถุที่กดลงบนอีกพื้นผิวหนึ่งเป็นหลัก   หากน้ำหนักของวัตถุมาก แรงที่กดลงบนพื้นผิวอีกพื้นผิวหนึ่งก็จะมาก แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นก็จะมีมาก อีกทั้งหากวัตถุต้องเคลื่อนที่บนพื้นผิวขรุขระมาก ก็จะมีแรงเสียดทานเกิดขึ้นมากกว่าตอนเคลื่อนที่อยู่บนพื้นผิวที่ขรุขระน้อย

ประเภทของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานมี 2 ประเภท คือ

      1. แรงเสียดทานสถิต (static friction) แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ ในสภาวะที่วัตถุได้รับแรงกระทำแล้วอยู่นิ่ง

      2. แรงเสียดทานจลน์ (kinetic friction) แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ ในสภาวะที่วัตถุได้รับแรงกระทำแล้วเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

ปัจจัยที่มีผลต่อแรงเสียดทาน

      แรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัสจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ
      1. แรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัส ถ้าแรงกดตัวฉากกับผิวสัมผัสมากจะเกิดแรงเสียดทานมาก ถ้าแรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัสน้อยจะเกิดแรงเสียดทานน้อย ดังรูป

รูป ก แรงเสียดทานน้อย รูป ข แรงเสียดทานมาก
ที่มา https://writer.dek-d.com/pimpola/story/viewlongc.php?id=906564&chapter=8

2. ลักษณะของผิวสัมผัสถ้าผิวสัมผัสหยาบ ขรุขระ จะเกิดแรงเสียดทานมาก ดังรูป ก ส่วนผิวสัมผัสเรียบลื่นจะเกิดแรงเสียดทานน้อยดังรูป ข

รูป ก แรงเสียดทานมาก รูป ข แรงเสียดทานน้อย
ที่มา https://writer.dek-d.com/pimpola/story/viewlongc.php?id=906564&chapter=8

3. ชนิดของผิวสัมผัสยกตัวอย่างเช่น คอนกรีตกับเหล็ก เหล็กกับไม้ จะเห็นว่าผิวสัมผัสแต่ละคู่มีความหยาบ ขรุขระ หรือเรียบลื่น เป็นมันแตกต่างกัน ทำให้เกิดแรงเสียดทานไม่เท่ากัน

การลดแรงเสียดทาน

สามารถทำได้หลายวิธีดังนี้
            1. การใช้น้ำมันหล่อลื่นหรือจาระบี
            2. การใช้ระบบลูกปืน
            3. การใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ตลับลูกปืน
            4. การออกแบบรูปร่างของยานพาหนะให้เพรียวลมทำให้ลดแรงเสียดทาน

ภาพที่ 1 แสดงรูปร่างของเรือที่เพียวลมเพื่อลดแรงเสียดทาน

ที่มา : http://www.manager.co.th/asp-bin/Image.aspx?ID=3492734

การเพิ่มแรงเสียดทาน

            ในด้านความปลอดภัยของมนุษย์ เช่น
1.ยางรถยนต์มีดอกยางเป็นลวดลาย มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนน

2.การหยุดรถต้องเพิ่มแรงเสียดทานที่เบรก เพื่อหยุดหรือทำให้รถแล่นช้าลง

3.รองเท้าบริเวณพื้นต้องมีลวดลาย เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานทำให้เวลาเดินไม่ลื่นหกล้มได้ง่าย ดังรูป

ภาพที่ 2 แสดงพื้นรองเท้าที่มีลวดลาย
ที่มา : http://upic.me/i/i6/282476_205903936123574_151144194932882_540098_5168784_n.jpg

4. การปูพื้นห้องน้ำควรใช้กระเบื้องที่มีผิวขรุขระ เพื่อช่วยเพิ่มแรงเสียดทาน เวลาเปียกน้ำจะได้ไม่ลื่นล้ม ดังรูป

ภาพที่ 3 แสดงการปูพื้นด้วยกระเบื้องยาง

ที่มา : http://www.skfloordesign.com/wp-content/uploads/2016/02/P_20160226_155122.jpg

สมบัติของแรงเสียดทาน มีดังนี้

1. แรงเสียดทานมีค่าเป็นศูนย์ เมื่อวัตถุไม่มีแรงภายนอกมากระทำ
               2. ขณะที่มีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุ และวัตถุยังไม่เคลื่อนที่ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นมีขนาดต่างๆ กัน ตามขนาดของแรงที่มากระทำ และแรงเสียดทานที่มีค่ามากที่สุดคือ แรงเสียดทานสถิต เป็นแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่
               3. แรงเสียดทานมีทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ
               4. แรงเสียดทานสถิตมีค่าสูงกว่าแรงเสียดทานจลน์เล็กน้อย
               5. แรงเสียดทานจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับลักษณะของผิวสัมผัส ผิวสัมผัสหยาบหรือขรุขระจะมีแรงเสียดทานมากกว่าผิวเรียบและลื่น
               6. แรงเสียดทานขึ้นอยู่กับน้ำหนักหรือแรงกดของวัตถุที่กดลงบนพื้น ถ้าน้ำหนักหรือแรงกดมากแรงเสียดทานก็จะมากขึ้นด้วย
               7. แรงเสียดทานไม่ขึ้นอยู่กับขนาดหรือพื้นที่ของผิวสัมผัส

แหล่งที่มา

แรงเสียดทาน. สืบค้นเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม 2560 . จาก
       http://1.179.134.197/digitalschool/physics2_2_2/physics1/lesson3/more/item3_1.php

แรงเสียดทาน. สืบค้นเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม 2560 จาก 
       https://sukanyablog.wordpress.com/แรงเสียดทาน/

คู่มือสื่อการสอนวิชาฟิสิกส์ โดยความร่วมมือระหว่าง สานักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐาน และ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. สืบค้นเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม 2560 . จาก http://www.phukhieo.ac.th/obec-media/2554/manual/%A4%D9%E8%C1%D7%CD%C7%D4%AA%D2%BF%D4%CA%D4%A1%CA%EC/%B5%CD%B9%B7%D5%E8%2067%20%B7%C4%C9%AE%D5%CD%D0%B5%CD%C1%A2%CD%A7%E2%BA%C3%EC%E1%C5%D0%A4%C7%D2%C1%E4%C1%E8%CA%C1%BA%D9%C3%B3%EC%A2%CD%A7%B7%C4%C9%AE%D5%A2%CD%A7%E2%BA%C3%EC%20(%CD.%B4%C3.%BA%D8%C3%D4%B9%B7%C3%EC%20%CD%D1%C8%C7%BE%D4%C0%BE).pdf