เครื่องบินต้องใช้อัตราเร็ว 240 km/h เพื่อบินขึ้น และทางวิ่งที่ใช้ได้ยาว 1100 m เริ่มจากหยุดนิ่ง ต้องใช้ความเร่งคงที่ a เท่าใด
v₀ = 0v = 240 km/hs = 1100 m
a = m/s²
2.จลนศาสตร์ยาก
รถรางเริ่มจากหยุดนิ่งและเร่งด้วย 1.5 m/s² เป็นเวลา 11 s จากนั้นวิ่งด้วยอัตราเร็วคงที่ 20 s และสุดท้ายเบรกด้วย 4 m/s² จนหยุด จงหาระยะทางรวม s ระหว่างสองป้ายหยุด
a1 = 1.5 m/s²t1 = 11 st2 = 20 sa3 = −4 m/s²
s = m
3.กฎของนิวตันปานกลาง
กล่องหนัก 45 kg ถูกดันขึ้นทางลาดที่ทำมุม 30° กับแนวนอนด้วยอัตราเร็วคงที่ โดยแรงขนานกับทางลาด สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.25 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาแรงดัน F
m = 45 kgθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
F = N
4.กฎของนิวตันยาก
ก้อนวัตถุสองก้อนบนพื้นราบเชื่อมด้วยเชือกเบาในแนวนอน แรงในแนวนอน 150 N ดึงก้อนหน้าที่หนัก 1 kg ก้อนที่หนัก 5 kg ถูกลากตามหลัง สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.1 สำหรับทั้งสองก้อน ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาแรงตึง T ในเชือกที่เชื่อม
m1 = 5 kgm2 = 1 kgF = 150 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
เตะลูกบอลจากพื้นราบด้วย 32 m/s ที่มุม 70° เหนือแนวนอนไปทางกำแพงที่ห่าง 20 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² ลูกบอลผ่านกำแพงที่ความสูงเท่าใด y
v₀ = 32 m/sθ = 70°x = 20 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
ยิงลูกบอลด้วย 29 m/s ที่มุม 25° เหนือแนวนอนจากยอดหน้าผาสูง 55 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความสูงมากที่สุด H เหนือพื้นที่เชิงหน้าผา
v₀ = 29 m/sθ = 25°h = 55 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
รถยนต์วิ่งผ่านทางโค้งราบรัศมี 125 m สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิตระหว่างยางกับถนนคือ 0.6 ใช้ g = 9.81 m/s² หาอัตราเร็วสูงสุด vmax ที่รถผ่านโค้งได้โดยไม่ไถล
r = 125 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
ลูกบอลมวล 1.7 kg ผูกกับเชือกยาว 0.6 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ที่จุดต่ำสุดมันเคลื่อนที่ด้วย 6.5 m/s ใช้ g = 9.81 m/s² หาแรงตึง T ในเชือกที่จุดต่ำสุด
m = 1.7 kgr = 0.6 mv = 6.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.งานและพลังงานปานกลาง
ก้อนวัตถุเลื่อนลงจากหยุดนิ่งตามพื้นเอียงที่ทำมุม 35° กับแนวนอน สัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์คือ 0.3 หาอัตราเร็ว v หลังจากเลื่อนไปตามพื้นเอียง 6 m
θ = 35°μ = 0.3d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.งานและพลังงานยาก
ก้อนวัตถุมวล 5 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 2.5 m บนทางลาดเรียบ ที่ด้านล่างมันผ่านแถบแนวนอนขรุขระยาว 1 m (μ = 0.25) แล้ววิ่งไปชนสปริง (k = 4000 N/m) บนพื้นผิวเรียบ หาการหดตัวสูงสุด x ของสปริง
m = 5 kgh = 2.5 mL = 1 mμ = 0.25k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.โมเมนตัมและการชนปานกลาง
รถมวล 1400 kg เคลื่อนที่ด้วย 9 m/s ชนรถมวล 1700 kg ที่จอดอยู่ และทั้งสองคันติดกัน พลังงานจลน์สูญเสียไปเท่าใด ΔK ในการชน
m1 = 1400 kgv1 = 9 m/sm2 = 1700 kgv2 = 0
ΔK = J
12.โมเมนตัมและการชนยาก
ลูกบอลมวล 0.1 kg กระทบผนังด้วย 14 m/s และกระดอนกลับตรง ๆ ด้วย 6 m/s การสัมผัสใช้เวลา 50 ms หาขนาดของอิมพัลส์ J ที่ผนังให้แก่ลูกบอล
m = 0.1 kgvin = 14 m/svout = 6 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
ลูกตุ้มอย่างง่ายต้องยาวเท่าใดจึงจะมีคาบ 2.1 s ใช้ g = 9.81 m/s² หา L
T = 2.1 sg = 9.81 m/s²
L = m
14.สปริงและลูกตุ้มยาก
มวล 1.1 kg ถูกติดที่ปลายล่างของสปริงแนวดิ่งที่ไม่ยืดซึ่งมี k = 280 N/m และปล่อยจากหยุดนิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาระยะยืดมากที่สุด xmax ของสปริงใน cm
m = 1.1 kgk = 280 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง
ท่อปลายปิดข้างหนึ่ง ต้องมีความถี่มูลฐาน (ฮาร์มอนิกที่หนึ่ง)ที่ 86 Hz อัตราเร็วเสียงคือ 343 m/s จงหาความยาว L ของท่อ
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 = 240/3.6 = 66.67 m/s
ความเร่ง
a = v²/(2s) = 66.67²/(2·1100) = 2.02 m/s²
คำตอบ
a = 2.02 m/s²
2.จลนศาสตร์
คำตอบ: s = 454.8 m
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.
อัตราเร็วสูงสุด
v = a1·t1 = 1.5·11 = 16.5 m/s
ระยะทางของแต่ละช่วง
s1 = ½·1.5·11² = 90.75 m
s2 = 16.5·20 = 330 m
s3 = 16.5²/(2·4) = 34.03 m
ระยะทางรวม
s = 90.75 + 330 + 34.03 = 454.8 m
คำตอบ
s = 454.8 m
3.กฎของนิวตัน
คำตอบ: F = 316.3 N
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.
แรงตามแนวพื้นเอียง
อัตราเร็วคงที่: แรงสมดุลกัน
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
แรงดัน
F = 220.7 + 95.58 = 316.3 N
คำตอบ
F = 316.3 N
4.กฎของนิวตัน
คำตอบ: T = 125 N
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.
เมื่อ μ เท่ากันทั้งสองก้อน แรงเสียดทานหักล้างกัน: T = F·m₁/(m₁ + m₂)
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: y = 38.57 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.
เวลาที่ถึงกำแพง
vx = 32·cos 70° = 10.94 m/s
t = x/vx = 20/10.94 = 1.827 s
ความสูงขณะนั้น
y = 30.07·1.827 − ½·9.81·1.827² = 38.57 m
คำตอบ
y = 38.57 m
ลูกบอลยังกำลังขึ้นอยู่ที่กำแพง
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: H = 62.66 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 25° = 12.26 m/s
ความสูงที่ขึ้นเหนือหน้าผา
Δh = vy²/(2g) = 12.26²/(2·9.81) = 7.656 m
ความสูงเหนือพื้น
H = 55 + 7.656 = 62.66 m
คำตอบ
H = 62.66 m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: vmax = 27.12 m/s
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก
แรงเสียดทานเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.6·9.81·125) = 27.12 m/s
คำตอบ
vmax = 27.12 m/s (97.65 km/h)
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: T = 136.4 N
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสม่ำเสมอ: วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v บนวงกลมรัศมี r มีความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง a = v²/r จึงต้องมีแรงลัพธ์ชี้เข้าด้านใน F = m·v²/r แรงนี้มาจากสิ่งที่มีอยู่จริง เช่น แรงเสียดทาน แรงตึง แรงโน้มถ่วง หรือแรงแนวฉาก
แรงที่จุดต่ำสุด
ทิศเข้าหาศูนย์กลาง (ขึ้น) เป็นบวก
T − m·g = m·v²/r
T = 1.7·9.81 + 1.7·6.5²/0.6 = 16.68 + 119.7 = 136.4 N
½kx² = 110.4 → x = √(2·110.4/4000) = 0.2349 m = 23.49 cm
คำตอบ
x = 23.49 cm
11.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: ΔK = 31094 J
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.
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
แก้หาความยาว
L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.1/2π)² = 1.096 m
คำตอบ
L = 1.096 m
14.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: xmax = 7.708 cm
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.
ตำแหน่งสมดุลและแอมพลิจูด
x₀ = m·g/k = 1.1·9.81/280 = 0.03854 m = A
จุดต่ำสุด
xmax = 2A = 0.07708 m = 7.708 cm
คำตอบ
xmax = 7.708 cm
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: L = 0.9971 m
คลื่นนิ่งและปรากฏการณ์ดอปเพลอร์: เส้นเชือกที่ตรึงปลายทั้งสองข้างหรือท่อที่เปิดปลายทั้งสองข้างมีความยาวพอดีกับจำนวนเต็มเท่าของครึ่งความยาวคลื่น: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … ท่อปลายปิดข้างหนึ่งมีบัพที่ปลายปิดและปฏิบัพที่ปลายเปิด: L = nλ/4 เฉพาะ n ที่เป็นเลขคี่ fn = n·v/(4L) เมื่อแหล่งกำเนิดหรือผู้สังเกตเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงระหว่างกัน f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): ใช้เครื่องหมายบนสำหรับการเคลื่อนที่เข้าหากัน คลื่นสองคลื่นที่มีความถี่ใกล้เคียงกันเกิดบีตที่ |f₁ − f₂|
ความยาวคลื่น
λ = v/f = 343/86 = 3.988 m
ความยาว
L = nλ/4 = 1·3.988/4 = 0.9971 m
คำตอบ
L = 0.9971 m
16.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: f″ = 29370 Hz
คลื่นนิ่งและปรากฏการณ์ดอปเพลอร์: เส้นเชือกที่ตรึงปลายทั้งสองข้างหรือท่อที่เปิดปลายทั้งสองข้างมีความยาวพอดีกับจำนวนเต็มเท่าของครึ่งความยาวคลื่น: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … ท่อปลายปิดข้างหนึ่งมีบัพที่ปลายปิดและปฏิบัพที่ปลายเปิด: L = nλ/4 เฉพาะ n ที่เป็นเลขคี่ fn = n·v/(4L) เมื่อแหล่งกำเนิดหรือผู้สังเกตเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงระหว่างกัน f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): ใช้เครื่องหมายบนสำหรับการเคลื่อนที่เข้าหากัน คลื่นสองคลื่นที่มีความถี่ใกล้เคียงกันเกิดบีตที่ |f₁ − f₂|