ในบทเรียนฟิสิกส์ครั้งก่อน เราได้ศึกษาหัวข้อพลศาสตร์ของอนุภาคและพลศาสตร์ของการหมุนในพลศาสตร์ของอนุภาค เราได้ศึกษาอนุภาคที่เคลื่อนที่แบบเลื่อนที่ ( การเคลื่อนที่เชิงเส้น ตรง การเคลื่อนที่แบบวงกลมการเคลื่อนที่แบบพาราโบลา ) ในพลศาสตร์ของการหมุน เราได้ศึกษาวัตถุแข็งเกร็งที่หมุน ในหัวข้อนี้ เราได้ศึกษาวัตถุที่อยู่ในสภาวะสมดุล มีสมดุลอยู่สองประเภท คือ สมดุลสถิตและสมดุลพลวัต ตามกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน วัตถุจะอยู่ในสมดุลสถิตหากวัตถุนั้นหยุดนิ่ง และวัตถุจะอยู่ในสมดุลพลวัตหากวัตถุนั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ บทความนี้จะเน้นไปที่การอภิปรายเกี่ยวกับสมดุลสถิต (วัตถุที่หยุดนิ่ง) มากกว่า
แนวคิดเรื่องสมดุลของวัตถุแข็งเกร็งเป็นความรู้พื้นฐานที่สำคัญมากและมีประโยชน์มากมายในชีวิตประจำวัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาวิศวกรรม การทำความเข้าใจและคำนวณแรงที่กระทำต่อวัตถุในสภาวะสมดุลสถิตนั้นมีความสำคัญมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิค (สถาปนิกหรือวิศวกร) ในการออกแบบสิ่งใดสิ่งหนึ่ง ไม่ว่าจะเป็นอาคาร สะพาน ยานพาหนะ ฯลฯ สถาปนิกหรือวิศวกรจะคำนวณอย่างละเอียดถี่ถ้วนว่าโครงสร้างของอาคาร ยานพาหนะ สะพาน ฯลฯ สามารถรับแรงที่กระทำต่อมันได้หรือไม่ เพื่อไม่ให้พังทลายลง
ตัวอย่างคำถาม
1. ลองพิจารณาภาพต่อไปนี้! แท่งโลหะหนัก 1,5 กิโลกรัม ถูกยึดติดกับผนังที่ปลายด้านหนึ่งด้วยบานพับ และโคมไฟถูกแขวนไว้ที่ระยะห่างจากบานพับนั้น แรงตึงในเชือกที่ทำให้แท่งโลหะอยู่ในสมดุลคือ…
การอภิปราย
เป็นที่ทราบกันดีว่า:
มวลของสิ่งของ (m 1 ) = 2 กก.
มวลของแท่ง (เมตร² ) = 1,5 กิโลกรัม
ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) = 10 m/ s²
น้ำหนักบรรทุก (w)1) = (2)(10) = 20 นิวตัน
น้ำหนักแท่ง (w 2 ) = (1,5)(10) = 15 N
คำถาม:ขนาดของแรงตึงในเชือกที่ทำให้แท่งอยู่ในสภาวะสมดุลมีค่าเท่าใด
คำตอบ:
ความยาวของเชือกคำนวณโดยใช้สูตรพีทาโกรัส:
คำนวณแรงดึงของเชือก (T ):
เลือกแกนหมุนที่จุดบานพับ พิจารณาโมเมนต์ของแรงที่กระทำต่อแท่งโลหะ
ช่วงเวลาแห่งพลัง 1:
τ 1 = ก2 r 2 = (15 นิวตัน)(0,4 ม.) = -6 นิวตันเมตร
โมเมนต์ของแรงที่ 1 ทำให้แท่งหมุนตามเข็มนาฬิกา ดังนั้นโมเมนต์ของแรงที่ 1 จึงมีเครื่องหมายลบ
ช่วงเวลาแห่งพลัง 2:
τ 2 = ก1 r 1 = (20 นิวตัน)(0,6 ม.) = -12 นิวตันเมตร
โมเมนต์ของแรงที่ 2 ทำให้แท่งหมุนตามเข็มนาฬิกา ดังนั้นโมเมนต์ของแรงที่ 1 จึงมีเครื่องหมายลบ
ช่วงเวลาแห่งพลัง 3:
τ 3 = T r 3 บาปθ = (T)(0,8)(0,6/1) = 0,48T
โมเมนต์ของแรงที่ 3 ทำให้แท่งหมุนทวนเข็มนาฬิกา ดังนั้นโมเมนต์ของแรงที่ 3 จึงมีเครื่องหมายเป็นบวก
เพื่อให้ระบบอยู่ในสภาวะหยุดนิ่ง โมเมนต์ลัพธ์ของแรง ( Στ) = 0
Στ = 0
τ 1 + τ 2 + τ 3 = 0
– 6 – 12 + 0,48T = 0
– 18 + 0,48T = 0
0,48T = 18
T = 18/ 0,48
T = 37,5 นิวตัน
ที่มาของคำถาม:
ข้อสอบวิชาฟิสิกส์ระดับชาติ สำหรับนักเรียนมัธยมปลาย/อาชีวศึกษา
