ปริมาณทางฟิสิกส์ในการเคลื่อนที่เชิงเส้น

บทความเกี่ยวกับปริมาณทางฟิสิกส์ในการเคลื่อนที่เชิงเส้น

1. ช่วงเวลา

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง วัตถุนั้นต้องการช่วงเวลาหนึ่ง สัญลักษณ์ของเวลาคือ t (เวลา) หน่วยเวลาในระบบสากลคือ วินาที (s)

2. ระยะทางและการกระจัด

ระยะทางคือความยาวของเส้นทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไป ระยะทางเป็นปริมาณสเกลาร์ ซึ่งปริมาณนี้ไม่ขึ้นอยู่กับทิศทาง สัญลักษณ์ของระยะทางคือ d และหน่วยในระบบสากลคือเมตร (m)

การกระจัด คือ การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของวัตถุ การกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นการกระจัดจึงประกอบด้วยขนาดของการกระจัดและทิศทางของการกระจัด การกระจัดขึ้นอยู่กับทิศทาง ดังนั้นจึงอาจเป็นบวกหรือลบ หากคำนวณในระบบพิกัดคาร์ทีเซียน ตามข้อตกลง ถ้าทิศทางของการกระจัดอยู่ในทิศทางของแกน x บวกและแกน y บวก การกระจัดจะเป็นบวก ในทางตรงกันข้าม ถ้าทิศทางของการกระจัดอยู่ในทิศทางของแกน x ลบและแกน y ลบ การกระจัดจะเป็นลบ ทิศทางของการกระจัดมักระบุเป็นทิศเหนือ ตะวันออก ใต้ ตะวันตก สัญลักษณ์ของการกระจัดคือ d และหน่วยในระบบสากลคือเมตร (m)

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 1:

นักเรียนคนหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออกเป็นระยะทาง 2 เมตร จงหาว่าระยะทางและขนาดของการกระจัดของนักเรียนคนนั้นคือเท่าใด

a = ตำแหน่งเริ่มต้น, b = ตำแหน่งสุดท้าย

ระยะทาง (d) = 2 เมตร

ขนาดของการกระจัด (d) = 2 เมตร ทิศทางการกระจัด = ทิศตะวันออก

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 2:

นักเรียนคนหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออกเป็นระยะทาง 2 เมตร แล้วเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตกเป็นระยะทาง 2 เมตร ระยะทางและขนาดของการกระจัดของนักเรียนคนนี้คือเท่าใด

a = ตำแหน่งเริ่มต้นและตำแหน่งสุดท้าย

ระยะทาง (d) = 2 ม. + 2 ม. = 4 ม.

ขนาดของการกระจัด (d) = 2 ม. – 2 ม. = 0 ตำแหน่งสุดท้ายเท่ากับตำแหน่งเริ่มต้น ดังนั้นจึงไม่มีการกระจัดเกิดขึ้น

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 3:

นักเรียนคนหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออกเป็นระยะทาง 2 เมตร แล้วเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตกเป็นระยะทาง 1 เมตร ระยะทางและขนาดของการกระจัดของนักเรียนคนนี้คือเท่าใด

a = ตำแหน่งเริ่มต้น, b = ตำแหน่งสิ้นสุด

ระยะทาง (d) = 2 ม. + 1 ม. = 3 ม.

ขนาดของการกระจัด (d) = 2 ม. – 1 ม. = 1 ม. ทิศทางการกระจัด = ทิศตะวันออก

3. ความเร็วและอัตราเร็ว

ความเร็วเป็นปริมาณสเกลาร์ ในขณะที่เวโลซิตี้เป็นปริมาณเวกเตอร์ เวโลซิตี้ประกอบด้วยขนาดของเวโลซิตี้และทิศทางของเวโลซิตี้ สัญลักษณ์ของเวโลซิตี้คือ v และสัญลักษณ์ของเวโลซิตี้คือ v (เวโลซิตี้) หน่วยของระบบสากลของความเร็วและเวโลซิตี้คือเมตรต่อวินาที (m/s)

ก. ความเร็วเฉลี่ยและอัตราเร็วเฉลี่ย

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 1:

นักเรียนคนหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออกเป็นระยะทาง 2 เมตร ในเวลา 1 วินาที จงหาความเร็วเฉลี่ยและขนาดของความเร็วเฉลี่ยของนักเรียนคนนั้น

ทิศทางของความเร็วเฉลี่ย = ทิศทางของการกระจัด = ไปทางทิศตะวันออก

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 2:

นักเรียนคนหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออกเป็นระยะทาง 2 เมตร ในเวลา 1 วินาที แล้วเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตกเป็นระยะทาง 1 เมตร ในเวลา 2 วินาที จงหาความเร็วเฉลี่ยและขนาดของความเร็วเฉลี่ยของนักเรียนคนนี้

ทิศทางของความเร็วเฉลี่ย = ทิศทางของการกระจัด = ไปทางทิศตะวันออก

ข. ความเร็วขณะใดขณะหนึ่ง และอัตราเร็วขณะใดขณะหนึ่ง

ความเร็วขณะใดขณะหนึ่ง = ระยะทางที่เคลื่อนที่ได้น้อยมากในช่วงเวลาสั้นมาก ขนาดของความเร็วขณะใดขณะหนึ่ง = การกระจัดที่เคลื่อนที่ได้น้อยมากในช่วงเวลาสั้นมาก หากคุณเคยขี่มอเตอร์ไซค์หรือรถยนต์ คุณคงเคยเห็นมาตรวัดความเร็วแล้ว ขณะขี่มอเตอร์ไซค์ ความเร็วของมอเตอร์ไซค์จะเปลี่ยนแปลงและแสดงโดยมาตรวัดความเร็ว

ในวิชาฟิสิกส์ ความเร็วขณะใดขณะหนึ่งมักจะย่อว่า ความเร็ว (speed) ในทำนองเดียวกัน ความเร็วขณะใดขณะหนึ่ง (velocity) มักจะย่อว่า ความเร็ว (velocity) โปรดทราบว่าเราสามารถใช้คำว่า ความเร็ว (speed) แทนขนาดของความเร็ว (velocity) ได้ เนื่องจากขนาดของความเร็วถือว่าเท่ากับความเร็ว ขนาดของความเร็วถือว่าเท่ากับความเร็วเพราะระยะทางและขนาดของการกระจัดจะมีค่าเท่ากันหากระยะทางและขนาดของการกระจัดมีค่าน้อยมาก แม้ว่าระยะทางและขนาดของการกระจัดจะไม่เท่ากันเสมอไป (เปรียบเทียบกับการอธิบายเรื่องระยะทางและการกระจัด) แต่ถ้าหากระยะทางและขนาดของการกระจัดมีค่าน้อยมาก ค่าทั้งสองจะต้องมีค่าเท่ากัน

4. อัตราเร่ง

ความเร่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นจึงมีทั้งขนาดของความเร่งและทิศทางของความเร่ง สัญลักษณ์ของความเร่งคือ a (ความเร่ง) หน่วย SI ของความเร่งคือ เมตรต่อวินาที² (m/s^² )

ก. ความเร่งเฉลี่ย

ตัวอย่างโจทย์:

รถยนต์คันหนึ่งเริ่มเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออกจากหยุดนิ่ง จนกระทั่งมีความเร็ว 10 เมตร/วินาที เป็นเวลา 5 วินาที จงคำนวณหาขนาดของความเร่งเฉลี่ย!

ทิศทางของความเร่งเฉลี่ยชี้ไปทางทิศตะวันออก

โดยเฉลี่ยแล้ว ความเร็วของรถจะเพิ่มขึ้น 2 เมตร/วินาที ทุก ๆ วินาที ถ้าขนาดของความเร่งของรถคงที่ ความเร็วของรถจะเพิ่มขึ้น 2 เมตร/วินาที ทุก ๆ วินาทีเสมอ แต่ถ้าขนาดของความเร่งของรถไม่คงที่ ความเร็วของรถก็จะไม่เพิ่มขึ้น 2 เมตร/วินาที ทุก ๆ วินาทีเสมอไป ความเร็วของรถอาจเพิ่มขึ้น 1 เมตร/วินาที ในวินาทีแรก แล้วเพิ่มขึ้น 3 เมตร/วินาที ในวินาทีถัดไป แต่โดยเฉลี่ยแล้ว เมื่อเคลื่อนที่ไป 5 วินาที ขนาดของความเร็วของรถจะเพิ่มขึ้น 2 เมตร/วินาที ทุก ๆ วินาที

ข. ความเร่งทันที

ความเร่งขณะใดขณะหนึ่ง คือการเปลี่ยนแปลงของความเร็วในช่วงเวลาสั้นมาก ความเร่งขณะใดขณะหนึ่งมักเรียกว่า ความเร่ง ดังนั้นหากกล่าวว่ามีความเร่ง ก็หมายถึงความเร่งขณะใดขณะหนึ่งนั่นเอง วัตถุจะมีความเร่งก็ต่อเมื่อความเร็วของมันเปลี่ยนแปลง ความเร็วเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งประกอบด้วยขนาดของความเร็วและทิศทางของความเร็ว ดังนั้นจึงมีสามเงื่อนไขที่วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะมีความเร่ง ประการแรก วัตถุจะมีความเร่งก็ต่อเมื่อขนาดของความเร็วหรืออัตราเร็วเปลี่ยนแปลง (ทิศทางของความเร็วคงที่)

ในตัวอย่างแรก รถยนต์คันหนึ่งหยุดนิ่งอยู่ (v = 0) ในวินาทีต่อมา ความเร็วของรถเพิ่มขึ้นเป็น 5 เมตร/วินาที ความเร็วของรถเพิ่มขึ้น ดังนั้นรถจึงกล่าวได้ว่ากำลังเร่งความเร็ว ในตัวอย่างที่สอง รถยนต์คันหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 5 เมตร/วินาที ในวินาทีต่อมา รถหยุด ความเร็วของรถลดลง เพราะรถกล่าวได้ว่ากำลังเร่งความเร็วในทิศทางลบ หรือรถกำลังลดความเร็ว ประการที่สอง วัตถุจะกล่าวได้ว่ากำลังเร่งความเร็ว ถ้าทิศทางของความเร็วเปลี่ยนไป (ขนาดของความเร็วหรืออัตราเร็วคงที่) ทิศทางของความเร็ว = ทิศทางของการกระจัด = ทิศทางของการเคลื่อนที่ ประการที่สาม วัตถุจะกล่าวได้ว่ากำลังเร่งความเร็ว ถ้าทั้งขนาดและทิศทางของความเร็วเปลี่ยนไป