เมื่อเรา ผลัก ดึง เตะ ยก โยน สะบัด ตี หยิบ บีบ กด พองลม เปิด และปิด วัตถุ เราบอกว่าแรงถูกนำไปใช้กับวัตถุ การกระทำเหล่านี้เป็นเพียงการใช้กำลัง วิธีใดที่อาจใช้แรงได้ก็มีเพียงสองประเภทเท่านั้นคือ
ตัวแทนภายนอกที่สร้างการเคลื่อนไหวในร่างกายหรือเปลี่ยนแปลงสถานะที่มีอยู่ของการเคลื่อนไหวในร่างกายเรียกว่าแรง
ตัวอย่างของ push
- เราดันประตูปิดหรือเปิด
- เราผลักรถเข็นในร้าน
- เราดันกล่องข้ามห้อง
ตัวอย่างของ pull
- เรายกถังน้ำ
- เราดึงประตูตู้เย็นมาเปิด
- เราดึงเก้าอี้ให้นั่ง
เราใช้กำลังในการเดิน ยกสิ่งของ ขว้างสิ่งของ เคลื่อนย้ายสิ่งของออกจากที่ ฯลฯ กล่าวโดยย่อ แรงมีอยู่ในทุกกิจกรรมที่เราทำ โดยการใช้กำลัง เรามักจะทำให้สิ่งใดเคลื่อนไหวหรืออยู่ในตำแหน่งพัก แต่ไม่เสมอไป เช่น ถ้าเราออกแรงกับกำแพง มันจะไม่เคลื่อนที่
จุดบนร่างกายที่มีแรงกระทำเรียกว่าจุดบังคับ
เส้นที่ลากผ่านจุดที่ใช้แรงไปในทิศทางของแรงเรียกว่าเส้นกระทำของแรง
ผลของแรง
แรงมีผลกับวัตถุมากมาย แรงสามารถตัดสินได้จากเอฟเฟกต์ต่างๆ ที่มันสามารถสร้างขึ้นบนวัตถุที่มันถูกนำไปใช้
- แรงทำให้เกิดการเคลื่อนไหว – แรงสามารถทำให้วัตถุที่อยู่กับที่ให้เคลื่อนที่ได้หากไม่มีแรงอื่นขัดขวางการเคลื่อนที่ ซึ่งหมายความว่าเมื่อใช้แรงในปริมาณที่เพียงพอกับวัตถุที่ไม่เคลื่อนที่ วัตถุนั้นจะเริ่มเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรง การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของวัตถุเรียกว่าการเคลื่อนไหว ตัวอย่างเช่น เมื่อเราผลักรถของเล่น มันจะเคลื่อนที่ หรือกล่องที่วางอยู่บนพื้นสามารถเคลื่อนย้ายได้โดยการผลักโดยใช้แรงไป ดังนั้น เมื่อใช้แรง วัตถุที่อยู่นิ่งจะเคลื่อนที่หรือแรงเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุที่อยู่กับที่
- แรงเปลี่ยนความเร็ว – ความเร็วของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยใช้แรงกับมัน – โดยการวางกำลังบนคันเร่ง ความเร็วของรถที่กำลังเคลื่อนที่จะเพิ่มขึ้น และโดยการเหยียบเบรก ความเร็วจะลดลงหรือหยุดในที่สุด รถเคลื่อนที่ เมื่อเราออกแรงในทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ ความเร็วจะเพิ่มขึ้น เมื่อเราออกแรงในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ ความเร็วจะลดลง
- บังคับหยุดการเคลื่อนที่ – หมายความว่าเมื่อเราออกแรงในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ วัตถุนั้นสามารถทำให้วัตถุเคลื่อนที่อยู่ในสภาวะพักได้ ตัวอย่างเช่น สามารถหยุดรถที่กำลังเคลื่อนที่ได้โดยใช้เบรก เมื่อเราพยายามจับลูกบอลที่ขว้างให้เราด้วยแรงที่มากกว่าแรงที่มันกำลังจะมา ลูกบอลจะหยุดลง
- แรงเปลี่ยนทิศทาง – เมื่อแรงกระทำที่มุมหนึ่งกับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ แรงจะเปลี่ยนทิศทางของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น ในเกมเทนนิส เมื่อผู้เล่นตีลูกบอลกลับไปหาผู้เล่นที่อยู่ฝั่งตรงข้าม แรงที่ใช้กับลูกบอลจะเปลี่ยนทิศทาง รถที่กำลังเคลื่อนที่จะเปลี่ยนทิศทางเมื่อมีการใช้แรงที่พวงมาลัยเพื่อหมุน ในเกมฟุตบอล ผู้เล่นเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของฟุตบอลด้วยการตีลูกด้วยเท้าเป็นมุม
- แรงเปลี่ยนรูปร่าง – เมื่อแรงถูกนำไปใช้กับวัตถุรูปร่างและขนาดจะเปลี่ยน ตัวอย่างเช่น เมื่อกดบอลลูน แรงที่ใช้จะเปลี่ยนรูปร่าง เมื่อทุบก้อนหินก้อนแข็ง แรงที่ใช้โดยค้อนจะเปลี่ยนรูปร่างเป็นรูปปั้น เมื่อเราบีบขวดน้ำพลาสติก แรงที่ใช้จะเปลี่ยนรูปร่างและขนาดของขวดน้ำ
ลักษณะของแรง
- แรงเกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์ของวัตถุอย่างน้อยสองชิ้น
- อาจเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุ
- อาจเปลี่ยนรูปร่างของวัตถุ
- แรงที่ใช้กับวัตถุในทิศทางเดียวกันบวกกันและผลลัพธ์เป็นทิศทางเดียวกัน
- เมื่อแรงถูกนำไปใช้กับวัตถุในทิศทางตรงกันข้าม แรงลัพธ์หรือแรงสุทธิของวัตถุนั้นคือความแตกต่างระหว่างแรงตรงข้ามเหล่านี้กับทิศทางผลลัพธ์จะเหมือนกับแรงที่มากกว่า
- ถ้าแรงทั้งสองที่กระทำต่อวัตถุมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม แรงสุทธิที่กระทำต่อวัตถุจะเป็นศูนย์
- เป็นปริมาณเวกเตอร์ดังนั้นจึงควรระบุโดยให้ขนาดและทิศทาง
- หากขนาดหรือทิศทางหรือทั้งสองเปลี่ยนแปลง ผลของแรงก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน
ประเภทของกองกำลัง:
- แรงสมดุลกับแรงไม่สมดุล
- แรงที่กระทำต่อวัตถุสามารถปรับสมดุลหรือไม่สมดุลได้
- กองกำลังที่สมดุล
แรงที่สมดุลคือแรงที่ผลของแรงที่ใช้มีค่าเท่ากับศูนย์ ไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในสถานะของวัตถุที่ใช้กับวัตถุ เช่น วัตถุที่ใช้แรง รัฐไม่เปลี่ยนจากการเคลื่อนที่เป็นพักหรือในทางกลับกัน อย่างไรก็ตาม แรงที่สมดุลสามารถเปลี่ยนรูปร่างและขนาดของวัตถุได้ วัตถุ. แรงสมดุลมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม แรงที่สมดุลถือว่าอยู่ในสภาวะสมดุล
ตัวอย่างเช่น ในมวยปล้ำแขนที่ไม่มีผู้ชนะ แรงที่กระทำโดยแต่ละคนมีค่าเท่ากัน แต่พวกเขากำลังผลักไปในทิศทางตรงกันข้าม แรงผลลัพธ์ (แรงสุทธิ) เป็นศูนย์ หรือในการชักเย่อ ถ้าไม่มีการเคลื่อนไหวในเชือก ทั้งสองทีมกำลังออกแรงเท่ากันแต่ตรงกันข้ามซึ่งมีความสมดุล อีกครั้ง แรงผลลัพธ์ (แรงสุทธิ) เป็นศูนย์
เมื่อแรงมีความสมดุล ทิศทางจะไม่เปลี่ยนแปลง
- แรงรวมที่สมดุลจะเท่ากับศูนย์เสมอ
- แรงที่สมดุลไม่สามารถเปลี่ยนการเคลื่อนที่หรือทิศทางของวัตถุได้
- แรงที่สมดุลทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่
หนังสือบนโต๊ะเป็นตัวอย่างของแรงที่สมดุล แรงของน้ำหนักหนังสือถูกตอบโต้ด้วยแรงตั้งฉาก (แรงรองรับ) ของโต๊ะ แรงทั้งสองมีค่าเท่ากันและตรงกันข้ามโดยสิ้นเชิง
ตัวอย่างของแรงสมดุลที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่คือระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติบนรถที่พยายามทำให้แรงเสียดทานเท่ากันกับแรงไปข้างหน้า เมื่อได้ความเร็วคงที่แล้ว แรงทั้งสองชุดจะเท่ากันและตรงข้ามกันโดยสิ้นเชิง
แรงไม่สมดุล
แรงที่ไม่สมดุลคือแรงที่แรงลัพธ์ที่ได้มีค่ามากกว่าศูนย์ ต่างจากแรงที่สมดุล แรงที่กระทำต่อวัตถุนั้นไม่เท่ากัน และทำให้การเคลื่อนที่ของวัตถุเปลี่ยนความเร็วและ/หรือทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่เข้ามาเสมอ
เมื่อแรงที่ไม่สมดุลสองแรงกระทำในทิศทางตรงกันข้าม แรงรวมของพวกมันจะเท่ากับผลต่างระหว่างแรงทั้งสอง ขนาดและทิศทางของแรงสุทธิส่งผลต่อการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้น แรงรวมนี้กระทำในทิศทางของแรงที่มากขึ้น ตัวอย่างเช่น ถ้าในการชักเย่อ ทีมหนึ่งดึงแรงกว่าอีกทีมหนึ่ง ผลลัพท์ที่ได้ (แรงสุทธิ) จะทำให้เชือกเปลี่ยนการเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงที่มีกำลัง/ขนาดมากขึ้น
เมื่อแรงที่ไม่สมดุลถูกกระทำไปในทิศทางเดียวกัน แรงที่เกิดขึ้น (แรงสุทธิ) จะเป็นผลรวมของแรงในทิศทางที่แรงกระทำ ตัวอย่างเช่น ถ้าคนสองคนดึงวัตถุในเวลาเดียวกันในทิศทางเดียวกัน แรงที่กระทำต่อวัตถุจะเป็นผลมาจากแรงรวมของพวกเขา
เมื่อแรงกระทำไปในทิศทางเดียวกัน แรงของพวกมันจะถูกเพิ่มเข้าไป เมื่อแรงกระทำในทิศทางตรงกันข้าม แรงของพวกมันจะถูกหักออกจากกัน
แรงที่ไม่สมดุลยังทำให้วัตถุที่ไม่เคลื่อนที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่ได้
หากไม่มีแรงสุทธิกระทำต่อวัตถุ การเคลื่อนที่จะไม่เปลี่ยนแปลง หากมีแรงสุทธิกระทำต่อวัตถุ ความเร็วของวัตถุจะเปลี่ยนไปตามทิศทางของแรงสุทธิ
แรงปะทะกับแรงที่ไม่สัมผัส
แรงจะถูกจัดประเภทเป็นแรงสัมผัสและแรงไม่สัมผัสทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงกับวัตถุ
แรงสัมผัส: แรงที่สามารถใช้ได้เฉพาะเมื่อสัมผัสกับวัตถุเรียกว่าแรงสัมผัส แรงทางกลทั้งหมดเป็นแรงสัมผัส เช่น แรงของกล้ามเนื้อ และแรงเสียดทาน
ประเภทของแรงสัมผัส:
- แรงที่ใช้ – แรงที่เกิดจากการกระทำของกล้ามเนื้อเรียกว่าแรงที่ใช้ เรียกอีกอย่างว่ากำลังของกล้ามเนื้อ เราใช้กำลังของกล้ามเนื้อในระหว่างการทำงานพื้นฐานของชีวิตในแต่ละวัน เช่น การหายใจ การย่อยอาหาร การยกถัง การดึงหรือการผลักวัตถุบางอย่าง
- แรงตั้งฉาก – เป็นแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิว มันมักจะตั้งฉากกับพื้นผิวและออกจากพื้นผิวเสมอ
- แรงเสียดทาน – เมื่อวัตถุสองชิ้นเลื่อนเข้าหากัน วัตถุทั้งสองจะถูและดันเข้าหากัน แรงผลักนี้เรียกว่าแรงเสียดทาน ตัวอย่างเช่น การจุดไม้ขีดไฟหรือการหยุดลูกบอลที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ภายใต้แรงเสียดทาน
- แรงดึง – แรงกระทำโดยที่แรงกระทำผ่านเชือก สายเคเบิล เชือก ฯลฯ แรงดึงทำได้เพียงดึงเท่านั้น ไม่สามารถดันได้ เรามักจะถือว่าความตึงในสายเคเบิลเท่ากันทุกที่บนสายเคเบิล
- แรงต้านอากาศ – เป็นแรงเสียดทานชนิดพิเศษที่กระทำต่อวัตถุขณะเคลื่อนที่ผ่านอากาศ แรงต้านของอากาศมักถูกสังเกตเพื่อต่อต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ แรงมักจะถูกละเลยเนื่องจากขนาดที่ไม่สำคัญ จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนที่สุดสำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง (เช่น นักกระโดดร่มหรือนักเล่นสกีลงเขา)
- แรงสปริง - แรงที่กระทำโดยสปริงที่ถูกบีบอัดหรือยืดออกคือ 'แรงสปริง' แรงที่สร้างขึ้นอาจเป็นการผลักหรือดึงขึ้นอยู่กับวิธีการติดสปริง
แรงไม่สัมผัส: แรงที่สามารถใช้ได้โดยไม่ต้องสัมผัสกับวัตถุสองชิ้น เรียกว่า แรงไม่สัมผัส เช่น แรงแม่เหล็ก แรงไฟฟ้าสถิต แรงโน้มถ่วง
ประเภทของแรงไม่สัมผัส
- แรงโน้มถ่วงคือแรงที่พยายามดึงวัตถุสองชิ้นเข้าหากัน สิ่งใดที่มีมวลก็มีแรงดึงดูดเช่นกัน ยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด แรงโน้มถ่วงของมันก็จะยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น แรงโน้มถ่วงของโลกคือสิ่งที่ทำให้คุณอยู่บนพื้นและทำให้วัตถุตกลงมา หยดน้ำที่ตกลงมาจากท้องฟ้าเป็นตัวอย่างของแรงโน้มถ่วง แอปเปิ้ลตกลงมาจากต้นไม้เป็นตัวอย่างที่ดีที่สุดและเป็นที่นิยมมากที่สุดของแรงที่ไม่สัมผัส
- แรงแม่เหล็กคือแรงที่แม่เหล็กกระทำต่อวัตถุแม่เหล็ก พวกมันมีอยู่โดยไม่มีการสัมผัสกันระหว่างวัตถุสองชิ้น ตัวอย่างเช่น หมุดเหล็กจะถูกดึงดูดเมื่ออยู่ใกล้แม่เหล็กโดยไม่มีการสัมผัสทางกายภาพ
- แรงไฟฟ้าสถิตคือแรงที่กระทำโดยวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าทั้งหมดบนวัตถุที่มีประจุอื่น มันสามารถเป็นได้ทั้งน่าดึงดูดและน่ารังเกียจในธรรมชาติโดยพิจารณาจากภาระของร่างกาย ตัวอย่างเช่น การชาร์จผมและแรงดึงดูดของเศษกระดาษเข้าหาผม
- แรงนิวเคลียร์คือแรงที่ยึดอะตอมและอนุภาคเข้าด้วยกัน
สนามพลัง
- บริเวณหรือพื้นที่ซึ่งแรงที่ไม่สัมผัส เช่น แรงแม่เหล็ก แรงโน้มถ่วง และแรงไฟฟ้าสถิต เรียกว่าสนามแรง
- บริเวณรอบ ๆ แม่เหล็กซึ่งสารแม่เหล็กสัมผัสกับแรงเรียกว่าสนามแม่เหล็ก
- บริเวณรอบประจุไฟฟ้าซึ่งสารไฟฟ้าสัมผัสกับแรงเรียกว่าสนามไฟฟ้า
- ดังนั้นสนามแรงจึงเป็นขอบเขตอิทธิพลของแรงที่ไม่สัมผัส
แรง = มวล x ความเร่ง
การเร่งความเร็ว - การเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุเรียกว่าการเร่งความเร็ว เมื่อวัตถุมีความเร็ว ความเร่งจะเป็นบวก เมื่อสูญเสียความเร็ว ความเร่งจะเป็นลบ
มวล - วัตถุทุกชิ้นประกอบด้วยสสาร ยิ่งวัตถุมีสสารมากเท่าใด วัตถุก็จะยิ่งมีขนาดใหญ่และมีมวลมากเท่านั้น
ตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน ให้ผลักวัตถุที่มีมวลจำนวนหนึ่ง และวัตถุจะเร่งความเร็วตามปริมาณของแรงและมวล แรงขนาดเล็กที่มีมวลมากทำให้เกิดความเร่งช้า และแรงมากที่มีมวลน้อยทำให้เกิดความเร่งเร็ว ซึ่งหมายความว่าแรงเป็นศูนย์บนมวลใด ๆ ให้ความเร่งเป็นศูนย์ หากวัตถุนั้นหยุดนิ่ง สิ่งนั้นก็จะยังคงอยู่ ถ้ามันเคลื่อนที่ มันจะเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วและทิศทางเดียวกัน
