การดลและแรงดล

                 การดล (I) คือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็น kg.m/s หรือ N.S แรงดล คือแรงที่มากระทำต่อวัตถุในช่วงเวลาสั้น ๆ หรืออัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมที่เปลี่ยนไปในช่วงหนึ่งหน่วยเวลา (Dt) แรงดลมีหน่วยเป็นนิวตัน วัตถุมวล m เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต้น ถูกแรง F มากระทำในเวลาสั้น ๆ ทำให้วัตถุมีความเร็วเป็น จะได้ว่า วัตถุมีโมเมนตัมเปลี่ยนไป D จากกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน SF = ma จะได้ว่k
เป็นปริมาณเวกเตอร์มีทิศทางไปทางเดียวกับทิศของแรงที่
มากระทำ มีหน่วยเป็น kg.m/s

                    เราทราบมาแล้วว่า เมื่อมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำกับวัตถุ จะทำให้โมเมนตัมเปลี่ยนไป ถ้าต้อง การให้โมเมนตัมของวัตถุเปลี่ยนแปลง  ขนาดของแรงที่มากระทำก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย เช่น ถ้า ปล่อยไข่ให้ตกลงบนฟองน้ำและให้ตกลงบนพื้นที่แข็ง จากที่ระดับความสูงเดียวกันซึ่งมีความสูงไม่มากนัก จะเห็นว่า ไข่ที่ตกลงบนพื้นที่แข็งจะแตก ส่วนไข่ที่ตกลงบนฟองน้ำจะไม่แตก แสดงว่าแรงที่กระทำกับไข่ที่ ตกลงพื้นที่แข็งจะมีค่ามากกว่าแรงที่กระทำกับไข่ที่ตกลงบนบนฟองน้ำ ถ้าคิดว่าไข่ทั้งสองมีมวลเท่ากันจะเห็น ว่า โมเมนตัมที่เปลี่ยนไปของไข่ทั้งสองใบจะเท่ากัน แต่ช่วงเวลาในการเปลี่ยนโมเมนตัมของไข่ทั้งสองต่างกัน กล่าวคือ ช่วงเวลาในการเปลี่ยนโมเมนตัมของไข่ที่ตกลงบนฟองน้ำมากกว่าแสดงว่า แรงที่กระทำกับวัตถุ นอกจากจะขึ้นกับ ช่วงเวลาที่แรงกระทำกับวัตถุเพื่อเปลี่ยนโมเมนตัมของวัตถุอีกด้วย

F
= —————–(1)
โดยที่ F
m
v
u
คือ
คือ
คือ
คือ
คือ
แรงดล มีหน่วยเป็น นิวตัน (N)
มวลของวัตถุ มีหน่วนเป็น กิโลกรัม (kg)
ความเร็วสุดท้ายของวัตถุ มีหน่วยเป็ย เมตรต่อวินาที (m/s)
ความเร็วเริ่มต้นของวัตถุ มีหน่วยเป็ย เมตรต่อวินาที (m/s)
ช่วงเวลาสั้น ๆ มีหน่วยเป็น วินาที (s)

จากสมการที่ (1) จะเห็นว่าถ้าต้องการให้โมเมนตัมของวัตถุเปลี่ยนไปค่าหนึ่ง เราอาจทำได้โดยออกแรงที่มีค่ามากกระทำต่อวัตถุในช่วงเวลาที่สั้น ๆ หรือออกแรงที่มีค่าน้อยแต่กระทำกับวัตถุเป็นเวลานานก็ได้ นั้นคือทั้งแรงและช่วงเวลาที่แรงกระทำกับวัตถุมีผลต่อการเปลี่ยนโมเมนตัมของวัตถุ ดังสมการ

(1) ถ้าเราจัดสมการใหม่จะได้ ดังสมการที่ (2)   —————(2)    โดยที่

คือ การดล มีหน่วยเป็น นิวตัน.วินาที (N.s)
คือ การเปลี่ยนโมเมนตัม หรือ เรียกว่า การดล มีหน่วยเป็น กิโลกรัม.เมตรต่อวินาที

   

เมื่อมีแรง กระทำต่อวัตถุในช่วงเวลา ทำให้โมเมนตัมของวัตถุเปลี่ยนจาก     เป็น     จากสมการ (2) จะเห็นว่า การดลมีค่าเท่ากับการเปลี่ยนโมเมนตัม ในกรณีที่วัตถุเปลี่ยนโมเมนตัมในแนวเส้นตรง การดลกับโมเมนตัมจะอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน โดยอาจมีทิศไปทางเดียวกันหรือสวนทางกันก็ได้พิจารณาได้ 3 กรณี ดังนี้

ก. เมื่อทิศทางของแรง อยู่ในทิศเกี่ยวกับ และ

(ทำให้ v>u)

ข. เมื่อทิศทางของแรง อยู่ในทิศสวนทางหรือตรงข้ามกับ และ

(ทำให้ u>v)

ค. เมื่อทิศทางของแรง ไม่อยู่ในทิศเดียวกับ และ

 

โดยทั่วไปเมื่อวัตถุ 2 ชิ้นกระทบกัน เช่น ลูกบอลกระทบกำแพง ลูกเทนนิสกระทบไม้ตี  เทนนิส   ค้อนกระทบตะปู   รถชนกัน   การชกมวย   ฯลฯ ดังรูป

การชกมวยขณะชกจะเกิดแรงดล
การตีลูกเทนนิส

การปีนหน้าผา เมื่อคนปีนตกจะทำให้มีแรงดลที่เส้นเชือก

การไอจะทำให้เกิดการเปลี่ยนโมเมนตัม
 

การใช้ค้อนตอกตะปูจะทำให้เกิดแรงดลและการดล

รูปภาพที่ 1
ถ้าตีลูกเทนนีสด้วยไม้ตีเทนนิสแล้วบันทึกแรงกับ
เวลาแล้วนำมาเขียนกราฟ จะได้ดังรูปภาพที่ 1  อธิบายได้ว่า
ก่อนลูกเทนนิสกระทบไม้ตีเทนนิสขนาดของแรงที่กระทำ
ต่อลูกเทนนิสเป็นศูนย์ และช่วงเวลาของการกระทบ ขนาด
ของแรงจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จนถึงค่าสูงสุดค่าหนึ่ง ต่อ
จากนั้นขนาดของแรงก็จะลดลงอย่างรวดเร็วจนกระทั่งเป็น
ศูนย์ เมื่อลูกเทนนิสสะท้อนออกจากไม้ตีเทนนิส พื้นที่
ใต้กราฟ  ก   คือ ขนาดของการดลที่ลูกเทนนิสได้รับจาก
ไม้ตีเทนนิส ในช่วงเวลาถ้าการดลที่เกิดขึ้นเท่าเดิม และลูกเทนนีสหยุ่นได้มากกว่าเดิม ทำให้ช่วงเวลาของการกระทบมากขึ้นเป็น ถ้าเขียนกราฟระหว่างขนาดของแรงกับช่วงเวลา จะได้ดังกราฟ ข  ซึ่งมีพื้นที่ใต้กราฟเท่ากับพื้นที่ใต้กราฟ  ก   เพราะขนาดของการดลเท่ากัน

จากกราฟ  ก  ในรูปภาพที่ 1  จะเห็นว่าขนาดของแรงที่ไม้ตีเทนนีสกระทำต่อลูกเทนนีสไม่คงตัว ในช่วงเวลา

รูปภาพที่ 2

ในการกระทบแต่การคำนวณหาการดลจากสมการ (2)  ขนาดของแรง F ที่ใช้จะต้องมีค่าคงตัวค่าหนึ่ง ซึ่งเมื่อเขียน กราฟระหว่างขนาดของ  F  กับเวลา  t  จะได้กราฟรูปภาพที่ 2โดยพื้นที่ใต้กราฟ ก จะเท่ากับพื้นที่ใต้กราฟ ค ซึ่งขนาดของแรงในกราฟ ค นี้เรียกว่า ขนาดของแรงเฉลี่ย ในช่วงเวลา t

 

    แนวคิดเกี่ยวกับ เรื่อง การดลจะเป็นประโยชน์มากเมื่อเราศึกษากรณีที่แรงมีค่ามากกระทำต่อวัตถุในช่วงเวลาสั้น ๆ เช่น รถยนต์ชนกัน การตอกตะปูด้วยค้อน ลูกบิลเลียดชนกัน ฯลฯแรงค่ามากที่กระทำในช่วงเวลาสั้น ๆ นี้ เรียกว่า แรงดล

สรุปได้ว่า

พื้นที่ใต้กราฟ (F – t)
= Fav
= m(v-u)
ที่มา: http://www.learning.smd.kku.ac.th/science/physics/impulse/impulse1.htm

ใส่ความเห็น