ฟิสิกส์ ม.ต้น: แรง การเคลื่อนที่ งาน พลังงาน ที่ต้องแม่นก่อนสอบเข้า ม.4

ฟิสิกส์ใน ม.ต้น มีหลายบท แต่กลุ่มเรื่อง แรง การเคลื่อนที่ งาน และพลังงาน เป็นกลุ่มที่ต่อกันเป็นเรื่องเดียว และเป็นฐานของฟิสิกส์ ม.ปลายแทบทั้งหมด ข้อสอบเข้า ม.4 สายวิทย์จึงมักมีโจทย์จากกลุ่มนี้ทั้งแบบคำนวณและแบบคิดวิเคราะห์ บทความนี้ทีมงานสรุปแนวคิดที่ต้องแม่น จุดที่มักสับสน และตัวอย่างโจทย์ที่แต่งขึ้นใหม่พร้อมวิธีคิด (ใช้ค่า $g = 10 \text{ m/s}^2$ ตลอดบทความ)

ปริมาณและหน่วยที่ต้องรู้ให้ขึ้นใจ

แรงลัพธ์และแรงเสียดทาน

แรงลัพธ์คือผลรวมแบบเวกเตอร์ของแรงทุกแรงที่กระทำต่อวัตถุ หลักง่าย ๆ คือ

• แรงทิศเดียวกัน บวกกัน แรงสวนทาง ลบกัน แล้วแรงลัพธ์มีทิศตามแรงที่มากกว่า
• แรงสองแรงตั้งฉากกัน ใช้ทฤษฎีบทพีทาโกรัส เช่น 3 N กับ 4 N ตั้งฉากกัน ได้แรงลัพธ์ $\sqrt{3^2 + 4^2} = 5$ N

โจทย์: ออกแรงผลักกล่องไปทางขวา 50 N บนพื้นที่มีแรงเสียดทาน 30 N แรงลัพธ์ที่กระทำต่อกล่องเป็นเท่าไร

แรงเสียดทานมีทิศ ตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ (หรือแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่) จึงลบกัน: $50 - 30 = 20$ N ไปทางขวา

ถ้ารู้มวลของกล่อง เช่น 10 kg บางสนามอาจให้หาความเร่งด้วย $F = ma$ ได้ $a = \frac{20}{10} = 2 \text{ m/s}^2$ ซึ่งเป็นการต่อยอดที่ควรรู้ไว้

ระยะทาง vs การกระจัด และอัตราเร็ว vs ความเร็ว

โจทย์: นักเรียนเดินไปทางทิศตะวันออก 30 m แล้วเลี้ยวไปทางทิศเหนืออีก 40 m ใช้เวลารวม 50 s จงหาระยะทาง การกระจัด อัตราเร็วเฉลี่ย และขนาดของความเร็วเฉลี่ย

• ระยะทาง $= 30 + 40 = 70$ m
• การกระจัด (ระยะตรงจากจุดเริ่มถึงจุดสุดท้าย) $= \sqrt{30^2 + 40^2} = 50$ m ทิศไปทางตะวันออกเฉียงเหนือ
• อัตราเร็วเฉลี่ย $= \frac{70}{50} = 1.4$ m/s
• ขนาดของความเร็วเฉลี่ย $= \frac{50}{50} = 1$ m/s

ถ้าเดินวนกลับมาที่จุดเริ่มต้น การกระจัดจะเป็นศูนย์ ความเร็วเฉลี่ยจึงเป็นศูนย์ แม้จะเดินมาไกลก็ตาม

งานและกำลัง — งานเป็นศูนย์เมื่อไร

งานเกิดขึ้นเมื่อมีแรงกระทำ และ วัตถุเคลื่อนที่ในแนวของแรง

โจทย์ 1: ออกแรง 20 N ลากกล่องไปตามพื้นในแนวของแรงเป็นระยะ 5 m งานที่ทำเป็นเท่าไร → $W = 20 \times 5 = 100$ J

โจทย์ 2: ยกถุงมวล 2 kg จากพื้นขึ้นสูง 1.5 m ด้วยความเร็วคงตัว งานที่ทำเป็นเท่าไร → แรงที่ใช้ยกเท่ากับน้ำหนัก $mg = 20$ N ได้ $W = 20 \times 1.5 = 30$ J (ตรงกับพลังงานศักย์ที่เพิ่มขึ้น $mgh = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J)

โจทย์ 3: ถือถุงใบเดิมเดินไปตามทางราบ 10 m แรงที่มือใช้ถือถุงทำงานเท่าไร → แรงที่มือออกมีทิศขึ้น แต่การเคลื่อนที่เป็นแนวราบ ตั้งฉากกัน งานของแรงนี้จึงเป็นศูนย์ แม้จะรู้สึกเหนื่อยก็ตาม

เรื่องกำลัง: เครื่องยกของทำงาน 600 J ในเวลา 4 s มีกำลังเท่าไร → $P = \frac{600}{4} = 150$ W

การอนุรักษ์พลังงาน และโมเมนต์

ถ้าไม่คิดแรงต้านอากาศ พลังงานกลรวม ($E_p + E_k$) มีค่าคงตัว พลังงานแค่เปลี่ยนรูปไปมา

โจทย์: ปล่อยลูกบอลมวล 0.5 kg จากความสูง 5 m ขณะกระทบพื้นลูกบอลมีอัตราเร็วเท่าไร

พลังงานศักย์ตอนเริ่ม $= mgh = 0.5 \times 10 \times 5 = 25$ J เปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมดตอนถึงพื้น

$$\begin{aligned} \frac{1}{2}(0.5)v^2 &= 25 \\ v^2 &= 100 \\ v &= 10 \text{ m/s} \end{aligned}$$

สังเกตว่ามวลตัดกันได้ ($mgh = \frac{1}{2}mv^2$ ได้ $v = \sqrt{2gh}$) ถ้าไม่คิดแรงต้านอากาศ ลูกบอลหนักหรือเบาก็ถึงพื้นด้วยอัตราเร็วเท่ากัน ข้อสอบชอบถามแนวคิดนี้

โมเมนต์เป็นอีกเรื่องที่มักออกคู่กับแรง หลักคือ เมื่อคานสมดุล ผลรวมโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา = ผลรวมโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา โดยโมเมนต์ = แรง × ระยะตั้งฉากจากจุดหมุน

โจทย์: กระดานหกสมดุล เด็กมวล 30 kg นั่งห่างจุดหมุน 2 m อีกฝั่งมีเด็กมวล 40 kg ต้องนั่งห่างจุดหมุนเท่าไร → $300 \times 2 = 400 \times d$ ได้ $d = 1.5$ m (ใช้น้ำหนัก 300 N และ 400 N หรือใช้มวลตรง ๆ ก็ได้ผลเท่ากัน เพราะ $g$ ตัดกัน)

เช็กลิสต์ก่อนส่งคำตอบฟิสิกส์

1. หน่วยครบและตรงกันหรือยัง (g กับ kg, cm กับ m, นาทีกับวินาที)
2. โจทย์ให้มวลหรือน้ำหนัก ถ้าต้องใช้แรง อย่าลืมคูณ $g$
3. ถามระยะทางหรือการกระจัด อัตราเร็วหรือความเร็ว
4. แรงกับการเคลื่อนที่อยู่ในแนวเดียวกันไหม ถ้าตั้งฉาก งานเป็นศูนย์
5. คำตอบสมเหตุสมผลไหม เช่น ความเร็วของลูกบอลที่ตกจากชั้นสองไม่ควรเป็นหลักร้อย m/s

ลองทำเอง 3 ข้อ

1. มีแรง 6 N กระทำต่อวัตถุไปทางขวา และแรง 8 N ไปทางซ้าย แรงลัพธ์มีขนาดและทิศอย่างไร
2. ยกกล่องมวล 5 kg ขึ้นสูง 2 m ด้วยความเร็วคงตัว ใช้เวลา 4 s กำลังที่ใช้เป็นเท่าไร
3. ปล่อยก้อนหินจากความสูง 20 m โดยไม่คิดแรงต้านอากาศ ขณะกระทบพื้นมีอัตราเร็วเท่าไร

เฉลย 1) $8 - 6 = 2$ N ไปทางซ้าย  2) $W = mgh = 5 \times 10 \times 2 = 100$ J และ $P = \frac{100}{4} = 25$ W  3) $v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 10 \times 20} = 20$ m/s

ฝึกโจทย์ฟิสิกส์ ม.ต้นต่อได้ที่แบบทดสอบฟรี หรือทักแชทเพจเพื่อสอบถามหนังสือเตรียมสอบเข้า ม.4 ที่เหมาะกับระดับของน้อง