เชื่อมการเคลื่อนที่เชิงเส้นกับเชิงมุมด้วย v = ω·r และ a = α·r และแปลง rpm เป็น rad/s
เฟืองและชุดเฟือง
เฟืองขบกัน
n1·N1 = n2·N2
แรงบิด
T2 = T1·(N2/N1)·η
กำลัง
P = T·ω, ω = 2π·n/60
ชุดเฟืองประกอบ
อัตราทดรวม = ผลคูณของอัตราทดแต่ละขั้น
สปริงและลูกตุ้ม
มวลติดสปริง
T = 2π·√(m/k)
ลูกตุ้ม
T = 2π·√(L/g)
ความถี่เชิงมุม
ω = √(k/m) = 2π/T
อัตราเร็วและความเร่งสูงสุด
vmax = A·ω, amax = A·ω²
พลังงาน
E = ½·k·A²
การสั่นสะเทือนเชิงกล
ความถี่ธรรมชาติ
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
จากระยะแอ่นสถิต
ωn = √(g/δst)
การหน่วงวิกฤต
cc = 2√(km) = 2mωn
อัตราส่วนการหน่วง
ζ = c/cc
ความถี่ที่ถูกหน่วง
ωd = ωn√(1 − ζ²)
ลอการิทึมดีเครเมนต์
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
สปริงต่อขนาน
k = k1 + k2
สปริงต่ออนุกรม
1/k = 1/k1 + 1/k2
2โจทย์ฝึก
1.จลนศาสตร์ปานกลาง
เครื่องบินต้องใช้อัตราเร็ว 220 km/h เพื่อบินขึ้น และทางวิ่งที่ใช้ได้ยาว 1300 m เริ่มจากหยุดนิ่ง ต้องใช้ความเร่งคงที่ a เท่าใด
v₀ = 0v = 220 km/hs = 1300 m
a = m/s²
2.จลนศาสตร์ยาก
โยนลูกบอลขึ้นตรง ๆ ด้วยความเร็ว 11 m/s จากขอบหลังคาที่สูงจากพื้น 35 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ และใช้ g = 9.81 m/s² หาความสูงสูงสุด hmax เหนือพื้น
v₀ = 11 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.กฎของนิวตันปานกลาง
เลื่อนหนัก 20 kg ถูกดึงไปบนหิมะราบด้วยเชือกที่ทำมุม 25° เหนือแนวนอนด้วยแรง 110 N สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.3 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความเร่ง a ของเลื่อน
m = 20 kgF = 110 Nθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.กฎของนิวตันยาก
ก้อนวัตถุถูกผลักให้เริ่มไถลขึ้นทางลาด 20° ด้วยอัตราเร็ว 7 m/s สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.2 ใช้ g = 9.81 m/s² ไถลไปตามทางลาดไกลเท่าใด d ก่อนหยุด
v₀ = 7 m/sθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
ยิงลูกบอลจากพื้นราบที่มุม 20° เหนือแนวนอนและตกห่างออกไป 20 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็วต้น v0
θ = 20°R = 20 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
ยิงลูกบอลด้วย 29 m/s ที่มุม 30° เหนือแนวนอนจากยอดหน้าผาสูง 15 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความสูงมากที่สุด H เหนือพื้นที่เชิงหน้าผา
v₀ = 29 m/sθ = 30°h = 15 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
ทางโค้งรัศมี 380 m เอียง 10° รถผ่านได้ด้วยอัตราเร็ว v เท่าใดโดยไม่ต้องอาศัยแรงเสียดทานเลย ใช้ g = 9.81 m/s²
r = 380 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
ลูกบอลผูกกับเชือกยาว 0.9 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² อัตราเร็วต่ำสุด vmin ที่จุดสูงสุดที่ทำให้เชือกยังตึงอยู่พอดีคือเท่าใด
r = 0.9 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.งานและพลังงานปานกลาง
เครื่องยิงของเล่นมีสปริงแนวดิ่งที่มีค่าคงตัว 1000 N/m วางลูกบอล 0.05 kg บนสปริงและกดสปริงลง 6 cm แล้วปล่อย ไม่คิดแรงต้านอากาศและมวลของสปริง จงหาความสูง h ที่ลูกบอลขึ้นไป วัดจากตำแหน่งของมันเมื่อสปริงถูกกด
m = 0.05 kgk = 1000 N/mx = 6 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.งานและพลังงานยาก
ก้อนวัตถุมวล 2 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 4 m บนทางลาดเรียบ ที่ด้านล่างมันผ่านแถบแนวนอนขรุขระยาว 3 m (μ = 0.2) แล้ววิ่งไปชนสปริง (k = 1000 N/m) บนพื้นผิวเรียบ หาการหดตัวสูงสุด x ของสปริง
m = 2 kgh = 4 mL = 3 mμ = 0.2k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.โมเมนตัมและการชนปานกลาง
กระสุนปืนมวล 4 kg เคลื่อนที่ในแนวนอนด้วย 19 m/s ระเบิดเป็นสองเศษที่เคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงเดียวกัน เศษมวล 3 kg เคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้าด้วย 36 m/s จงหาความเร็ว v′2 ของเศษมวล 1 kg (ทิศทางเดิมเป็นบวก)
M = 4 kgu = 19 m/sm1 = 3 kgv′1 = 36 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.โมเมนตัมและการชนยาก
รถมวล 1800 kg ชนรถที่จอดอยู่มวล 1400 kg ซากรถติดกันและไถลไป 9.5 m ก่อนหยุด สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างยางกับถนนคือ 0.8 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v1 ของรถคันแรกก่อนชน
แท่งเรียวสม่ำเสมอมวล 6.5 kg ยาว 0.8 m ถูกยึดด้วยหมุดที่ปลายหนึ่งและปล่อยจากหยุดนิ่งในตำแหน่งแนวนอน ลูกบอลเล็กมวล 4.5 kg ติดอยู่ที่ปลายอิสระของมัน ไม่คิดแรงเสียดทานและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความเร็วเชิงมุม ω ของแท่งขณะแกว่งผ่านตำแหน่งแนวดิ่ง
m = 6.5 kgL = 0.8 mmball = 4.5 kgg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.การหมุนของวัตถุแข็งเกร็งยาก
คนหนึ่งยืนบนแท่นหมุนไร้แรงเสียดทานและถือดัมเบลล์มวล 3 kg มือละอัน ห่างจากแกน 0.75 m ตัวคนกับแท่นหมุนเพียงอย่างเดียวมีโมเมนต์ความเฉื่อย 3 kg·m² รอบแกน พวกเขาหมุนที่ 25 rpm จากนั้นดึงดัมเบลล์เข้ามาที่ระยะ 0.25 m จากแกน ให้ถือดัมเบลล์เป็นมวลจุด จงหาอัตราเร็วใหม่ n2 ใน rpm
ในชุดเฟืองประกอบ เฟือง A (20 ฟัน) บนเพลาขาเข้าหมุนที่ 1500 rpm ขับเฟือง B (36 ฟัน) เฟือง C (36 ฟัน) ติดอยู่กับเพลาเดียวกับ B และขับเฟือง D (45 ฟัน) บนเพลาขาออก หาความเร็วรอบขาออก nout
nin = 1500 rpmA = 20B = 36C = 36D = 45
nout = rpm
17.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
นักบินอวกาศบนดาวดวงอื่นพบว่าลูกตุ้มอย่างง่ายยาว 1.2 m มีคาบ 2.06 s สำหรับการแกว่งเล็ก ๆ จงหาความเร่งโน้มถ่วง g บนดาวดวงนั้น
L = 1.2 mT = 2.06 s
g = m/s²
18.สปริงและลูกตุ้มยาก
มวล 3.7 kg บนสปริงที่ k = 110 N/m ถูกดึงออกจากสมดุล 13 cm แล้วปล่อย หาพลังงานรวม E ของการสั่น
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
หน่วย
v = 220/3.6 = 61.11 m/s
ความเร่ง
a = v²/(2s) = 61.11²/(2·1300) = 1.436 m/s²
คำตอบ
a = 1.436 m/s²
2.จลนศาสตร์
คำตอบ: hmax = 41.17 m
การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² และ v² = v₀² + 2·a·s เลือกสมการที่มีปริมาณสามอย่างที่คุณทราบและหนึ่งอย่างที่ต้องการ และรักษาเครื่องหมายให้สอดคล้องกับทิศทางบวกเพียงทิศเดียว
ระยะที่ขึ้นเหนือหลังคา
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 11²/(2·9.81) = 6.167 m
ความสูงเหนือพื้น
hmax = 35 + 6.167 = 41.17 m
คำตอบ
hmax = 41.17 m
3.กฎของนิวตัน
คำตอบ: a = 2.739 m/s²
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
แรงตั้งฉาก
N = m·g − F·sin θ = 196.2 − 110·sin 25° = 149.7 N
แรงในแนวนอน
m·a = F·cos θ − μ·N = 99.69 − 44.91
a = 54.78/20 = 2.739 m/s²
คำตอบ
a = 2.739 m/s²
4.กฎของนิวตัน
คำตอบ: d = 4.713 m
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
ความหน่วง
แรงทั้งสองชี้ลงตามเนิน มวลหักล้างกัน
a = 9.81·(sin 20° + 0.2·cos 20°) = 5.199 m/s²
ระยะทาง
d = v₀²/(2a) = 7²/(2·5.199) = 4.713 m
คำตอบ
d = 4.713 m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: v0 = 17.47 m/s
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
แก้สูตรพิสัยหา v₀
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·20/sin 40°) = 17.47 m/s
คำตอบ
v0 = 17.47 m/s
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: H = 25.72 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
อัตราเร็วต้นในแนวดิ่ง
vy = 29·sin 30° = 14.5 m/s
ความสูงที่ขึ้นเหนือหน้าผา
Δh = vy²/(2g) = 14.5²/(2·9.81) = 10.72 m
ความสูงเหนือพื้น
H = 15 + 10.72 = 25.72 m
คำตอบ
H = 25.72 m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: v = 25.64 m/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
v = √(r·g·tan θ) = √(380·9.81·tan 10°) = 25.64 m/s
คำตอบ
v = 25.64 m/s
(92.3 km/h)
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: vmin = 2.971 m/s
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก
แรงตึงเป็นศูนย์ที่จุดสูงสุด
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.9) = 2.971 m/s
½kx² = 66.71 → x = √(2·66.71/1000) = 0.3653 m = 36.53 cm
คำตอบ
x = 36.53 cm
11.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: v′2 = −32 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
โมเมนตัมก่อนชน
p = M·u = 4·19 = 76 kg·m/s
โมเมนตัมหลังชน
76 = 3·36 + 1·v′2
v′2 = (76 − 108)/1 = −32 m/s
คำตอบ
v′2 = −32 m/s
เครื่องหมายลบหมายความว่าเศษที่สองกระเด็นถอยหลัง
12.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: v1 = 21.71 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.
Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
แก้หา g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1.2/2.06² = 11.16 m/s²
คำตอบ
g = 11.16 m/s²
18.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: E = 0.9295 J
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย: มวล m บนสปริงที่มีค่าความแข็ง k สั่นด้วยความถี่เชิงมุม ω = √(k/m) และคาบ T = 2π/ω = 2π·√(m/k) ลูกตุ้มอย่างง่ายยาว L มี T = 2π·√(L/g) เมื่อแอมพลิจูดคือ A อัตราเร็วสูงสุดคือ A·ω ความเร่งสูงสุดคือ A·ω² และพลังงานคือ ½·k·A²