หน่วยที่ 1 พื้นฐานกลศาสตร์

📂ความหมายและนิยามของกลศาสตร์

📂ปริมาณสเกล่าร์และปริมาณเวคเตอร์

📂กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

📂ระบบหน่วย

📂การเคลื่อนที่ของวัตถุ

📂งานและพลังงาน

📂ประสิทธิภาพของงาน

ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพ (ปวช.) พ.ศ. 2556

ความหมายของกลศาสตร์

กลศาสตร์(Mechanics) หมายถึง วิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับแรงที่กระทำต่อวัตถุในสภาพวะที่หยุดนิ่ง หรือสภาวะเคลื่อนที่ และผลที่เกิดกับวัตถุภายหลังจากที่ถูกแรงกระทำ กลศาสตร์แบ่งออกเป็น 2 แขนงใหญ่ๆ ได้แก่

1. สถิตยศาสตร์ (Statics) เป็นการศึกษาวัตถุในสภาวะที่หยุดนิ่ง หรือสภาวะสมดุลภายใต้การกระทำของแรง

2. พลศาสตร์ (Dynamics) เป็นการศึกษาวัตถุในสภาวะที่เคลื่อนที่ และผลของแรงที่ทำให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ หรือเกิดการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่

นิยามที่เกี่ยวกับกลศาสตร์

1. ปริภูมิ (Space) คือ ขอบเขตรูปเรขาคณิตซึ่งมีเหตุการณ์ต่างๆ ที่จะทำการศึกษา โดยทั่วไปหมายถึงปริภูมิ 3 มิติ

2. กรอบอ้างอิง (Reference Frame) คือ กรอบที่ใช้ในการกำหนดตำแหน่งของวัตถุที่พิจารณานั้น อาจกำหนดเป็นตำแหน่งเชิงมุมหรือเชิงเส้นก็ได้ โดยเปรียบเทียบแกนอ้างอิงเป็นหลัก

3. เวลา (Time) คือการวัดช่วงความต่อเนื่องของเหตุการณ์ หรือการกระทำที่เกิดขึ้นโดยเทียบกับมาตรฐานสากล ในหน่วยเอสไอ (SI Units) วัดเป็นวินาที (s)

นิยามที่เกี่ยวกับกลศาสตร์ (ต่อ)

4. แรง (Force) คือ การกระทำของวัตถุหนึ่งต่ออีกวัตถุหนึ่ง โดยแรงจะพยายามทำให้วัตถุนั้นเกิดการเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แรงนั้นกระทำ หรือทำให้เกิดการหมุนรอบแกนใดแกนหนึ่ง

5. ความเฉื่อย (Inertia) คือ คุณสมบัติของสสารที่ต่อต้านการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่

6. มวล (Mass) คือ ปริมาณที่ใช้วัดความเฉื่อย หรือเป็นปริมาณเนื้อสารของวัตถุมีคุณสมบัติในการดึงดูดซึ่งกันและกัน

นิยามที่เกี่ยวกับกลศาสตร์ (ต่อ)

7. วัตถุ (Body) คือ สสารที่ผิวปิดโดยรอบ หรือเป็นการรวมตัวของสสารที่ก่อให้เกิดรูปร่างต่าง ๆ ขึ้น

8. วัตถุเกร็ง (Rigid body) คือ วัตถุที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาดเมื่อถูกแรงกระทำ ซึ่งเป็นเพียงสภาพในอุดมคติเท่านั้น เนื่องจากวัตถุเมื่อถูกแรงกระทำจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทั้งรูปร่างและขนาดแต่เกิดขึ้นน้อยมากเมื่อเทียบกับขนาดทั้งหมดของวัตถุ จึงถือว่าเป็นวัตถุเกร็ง

9. วัตถุแปรรูป (Deformation body) คือ วัตถุที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาดเมื่อถูกแรงกระทำ โดยเฉพาะเมื่อพิจาณราถึงผลของการกระทำที่เกิดขึ้นภายในเนื้อวัตถุ

ปริมาณสเกล่าร์ (Scalar quantity)

ปริมาณสเกล่าร์ คือ ปริมาณใดๆ ที่เกี่ยวข้องหรือกำหนดเฉพาะขนาด (Magnitude) เท่านั้นก็มีความชัดเจนอยู่ในตัว ไม่จำเป็นต้องระบุทิศทาง (Direction) แต่อย่างใด ได้แก่ เวลา มวล ระยะทาง ปริมาตร ความหนาแน่น อุณหภูมิ อัตราเร็ว พลังงาน เป็นต้น

ปริมาณเวคเตอร์ (Vectors quantity)

ปริมาณเวคเตอร์ คือ ปริมาณใดๆ ที่เกี่ยวข้องหรือกำหนดทั้งขนาดและทิศทางที่ชัดเจน ได้แก่ แรง การขจัด (Displacement) ความเร็ว ความเร่ง โมเมนต์ โมเมนตั้ม เป็นต้น

เวคเตอร์ในทางฟิสิกส์ แบ่งออกเป็น 3 แบบ ได้แก่ เวคเตอร์อิสระ เวคเตอร์เลื่อน เวคเตอร์คงที่

เวคเตอร์อิสระ (Free Vector)

เป็นเวคเตอร์ที่มีตำแหน่งไม่แน่นอน หรือเป็นเวคเตอร์ที่กระทำที่ใดในวัตถุหนึ่ง โดยไม่ทำให้วัตถุเกิดการหมุน ดังรูป

เวคเตอร์เลื่อน (Sliding Vector)

เป็นเวคเตอร์ที่มีแนวแน่นอน จะต้องเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงเดียวกันในปริภูมิ ดังรูป

เวคเตอร์คงที่ (Fixed Vector)

เป็นเวคเตอร์ที่มีแนวและตำแหน่งที่แน่นอนตายตัว ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งที่กระทำ ก็จะมีผลต่อการแปรรูปของวัตถุได้ ดังรูป

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’Law of Motion)

กฎข้อที่ 1 อนุภาคจะยังคงรักษาสภาวะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ต่อไปในแนวเส้นตรง ด้วยความเร็วคงที่ นอกจากจะมีแรงไม่สมดุลมากระทำกับอนุภาคนั้น

กฎข้อที่ 2 ความเร่งของอนุภาคจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำ และมีทิศทางเดียวกันกับแรงลัพธ์นั้น

กฎข้อที่ 3 แรงกริยา (Action) และแรงปฏิกริยา (Reaction) ระหว่างวัตถุที่กระทำต่อกันมีจะขนาดเท่ากัน อยู่ในแนวเดียวกัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม

หน่วย (Units)

ระบบสากลที่เป็นมาตรฐานเดียวกัน คือ หน่วยเอสไอ (SI Units : System International d’ Units หรือ International System of Units) หน่วยเอสไอ ที่ใช้ในวิชากลศาสตร์เครื่องกล

หน่วยเอสไอ ที่ใช้ในรายวิชากลศาสตร์เครื่องกล

การเคลื่อนที่ (Motion)

การเคลื่อนที่ คือ การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุในการศึกษาการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เฟือง ลูกเบี้ยว สายพาน ฯลฯ สิ่งสำคัญที่พิจารณาร่วมในการเคลื่อนที่ มีดังนี้

1. การขจัด (Displacement) คือระยะทางระหว่างจุดเริ่มต้น (O) และจุดสุดท้าย (A)

การเคลื่อนที่ (Motion) (ต่อ)

2. ความเร็ว (Velocity) คือ ระยะทางที่เคลื่อนที่ในหนึ่งหน่วยเวลา มีทิศทางแน่นอน ความเร็วเป็นปริมาณเวคเตอร์

3. อัตราเร็ว (Speed) เป็นปริมาณสเกลาร์ เป็นการเคลื่อนที่ไปตามระยะทางในหนึ่งหน่วยเวลา อัตราความเร็วกำหนดมาเป็นความเร็วเฉลี่ย (Average Velocity) คำนวณได้จากสูตร

การเคลื่อนที่ (Motion) (ต่อ)

4. ความเร่งหรือความเร่งชั่วขณะ (Intantaneous Acceleration) คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วต่อหน่วยเวลา

5. อัตราเร่งหรือความเร็วเร่งเฉลี่ย (Average Acceleration) คือการเปลี่ยนแปลงความเร็วต่อหน่วยเวลา คำนวณได้จากสูตร

การเคลื่อนที่แบบโปรเจกไตล์ (Projectile Motion)

การเคลื่อนที่แบบโปรเจกไตล์ คือ การเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงดึงดูดหรือแรงโน้มถ่วงของโลก สมการการเคลื่อนที่แบบโปรเจกไตล์ ดังรูปนี้

การเคลื่อนที่แบบโปรเจกไตล์ (Projectile Motion)

เมื่อ R = ระยะทางการเคลื่อนที่, m

H = ความสูงในแนวดิ่ง, m

t = เวลาที่วัตถุลอยอยู่ในอากาศ,

s

V₁ = ความเร็วเริ่มต้น, m/s²

g = อัตราเร่งเนื่องจากแรง

โน้มถ่วงของโลก = 9.81 m/s²

งานและพลังงาน (Work and Energy)

งาน (Work) เป็นผลมาจากเมื่อวัตถุถูกแรงมากระทำและทำให้วัตถุนั้นเกิดการเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แรงนั้นกระทำ หน่วยในการวัดงาน คือ นิวตัน·เมตร (N·m) หรือเรียกว่า จูล (Joule)

พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถในการทำงาน พลังงานไม่สามารถทำให้เกิดขึ้นได้ และไม่สามารถทำลายได้ แต่พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปได้ เช่น พลังงานกล เปลี่ยนเป็นพลังานไฟฟ้า พลังงานมีหลายรูป เช่น พลังงานศักย์ พลังงานจลน์

กำลังงานและประสิทธิภาพ (Power and Efficiency)

กำลังงานและประสิทธิภาพ (Power and Efficiency)