รถยนต์ที่วิ่งด้วยความเร็ว 50 km/h เบรกด้วยความหน่วงคงที่ 8 m/s² จนหยุด การเบรกใช้เวลานานเท่าใด หา t
v₀ = 50 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.จลนศาสตร์ยาก
โยนลูกบอลขึ้นตรง ๆ ด้วยความเร็ว 5 m/s จากขอบหลังคาที่สูงจากพื้น 15 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ และใช้ g = 9.81 m/s² ลูกบอลกระทบพื้นหลังจากโยนไปนานเท่าใด หา t
v₀ = 5 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.กฎของนิวตันปานกลาง
เลื่อนหนัก 40 kg ถูกดึงไปบนหิมะราบด้วยเชือกที่ทำมุม 25° เหนือแนวนอนด้วยแรง 70 N สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.1 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความเร่ง a ของเลื่อน
m = 40 kgF = 70 Nθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.กฎของนิวตันยาก
ก้อนวัตถุถูกผลักให้เริ่มไถลขึ้นทางลาด 15° ด้วยอัตราเร็ว 6.5 m/s สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.15 ใช้ g = 9.81 m/s² ไถลไปตามทางลาดไกลเท่าใด d ก่อนหยุด
v₀ = 6.5 m/sθ = 15°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 60° เหนือแนวนอน จากพื้นราบ ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาระยะทางในแนวนอน x ที่ลูกบอลเคลื่อนที่ก่อนกระทบพื้น
v0 = 40 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
x = m
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 55° เหนือแนวนอน จากยอดหน้าผาสูง 30 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาระยะทางในแนวนอน x ที่ลูกบอลเคลื่อนที่ก่อนกระทบพื้น
v0 = 11 m/sθ = 55°h = 30 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมปานกลาง
รถยนต์วิ่งผ่านทางโค้งราบรัศมี 110 m สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิตระหว่างยางกับถนนคือ 0.3 ใช้ g = 9.81 m/s² หาอัตราเร็วสูงสุด vmax ที่รถผ่านโค้งได้โดยไม่ไถล
r = 110 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลมยาก
ลูกบอลมวล 0.6 kg บนเชือกเบายาว 0.9 m ถูกเหวี่ยงเป็นวงกลมแนวดิ่ง ที่จุดต่ำสุดอัตราเร็วของมันคือ 11 m/s ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาแรงตึง Ttop ในเชือกที่จุดสูงสุด
m = 0.6 kgr = 0.9 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.งานและพลังงานปานกลาง
เครื่องยิงของเล่นมีสปริงแนวดิ่งที่มีค่าคงตัว 400 N/m วางลูกบอล 0.15 kg บนสปริงและกดสปริงลง 5 cm แล้วปล่อย ไม่คิดแรงต้านอากาศและมวลของสปริง จงหาความสูง h ที่ลูกบอลขึ้นไป วัดจากตำแหน่งของมันเมื่อสปริงถูกกด
m = 0.15 kgk = 400 N/mx = 5 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.งานและพลังงานยาก
ก้อนวัตถุมวล 2.5 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 1 m บนทางลาดเรียบ ที่ด้านล่างมันผ่านแถบแนวนอนขรุขระยาว 2.5 m (μ = 0.2) แล้ววิ่งไปชนสปริง (k = 1000 N/m) บนพื้นผิวเรียบ หาการหดตัวสูงสุด x ของสปริง
m = 2.5 kgh = 1 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.โมเมนตัมและการชนปานกลาง
รถมวล 1900 kg เคลื่อนที่ด้วย 14 m/s ชนรถมวล 1600 kg ที่จอดอยู่ และทั้งสองคันติดกัน พลังงานจลน์สูญเสียไปเท่าใด ΔK ในการชน
m1 = 1900 kgv1 = 14 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK = J
12.โมเมนตัมและการชนยาก
ที่ทางแยก รถมวล 1600 kg ที่แล่นไปทางตะวันออกด้วย 23 m/s ชนกับรถมวล 1900 kg ที่แล่นไปทางเหนือด้วย 23 m/s รถทั้งสองคันติดกัน จงหาอัตราเร็ว v′ ของซากรถทันทีหลังการชน
m1 = 1600 kgv1 = 23 m/s (E)m2 = 1900 kgv2 = 23 m/s (N)
v′ = m/s
13.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
ลูกตุ้มอย่างง่ายยาว 1.5 m ใช้ g = 9.81 m/s² หาคาบ T สำหรับการแกว่งเล็ก ๆ
L = 1.5 mg = 9.81 m/s²
T = s
14.สปริงและลูกตุ้มยาก
มวล 1.1 kg บนสปริงที่ k = 360 N/m ถูกดึงออกจากสมดุล 7 cm แล้วปล่อย หาอัตราเร็วสูงสุด vmax
m = 1.1 kgk = 360 N/mA = 7 cm
vmax = m/s
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง
ผู้สังเกตเคลื่อนที่ด้วย 5 m/s เข้าหาแหล่งกำเนิด 400 Hz ที่อยู่นิ่ง อัตราเร็วเสียงคือ 343 m/s จงหาความถี่ f′ ที่ผู้สังเกตได้ยิน
การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² และ v² = v₀² + 2·a·s เลือกสมการที่มีปริมาณสามอย่างที่คุณทราบและหนึ่งอย่างที่ต้องการ และรักษาเครื่องหมายให้สอดคล้องกับทิศทางบวกเพียงทิศเดียว
หน่วย
v₀ = 50/3.6 = 13.89 m/s
เวลาเบรก
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 13.89/8 = 1.736 s
คำตอบ
t = 1.736 s
2.จลนศาสตร์
คำตอบ: t = 2.331 s
การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² และ v² = v₀² + 2·a·s เลือกสมการที่มีปริมาณสามอย่างที่คุณทราบและหนึ่งอย่างที่ต้องการ และรักษาเครื่องหมายให้สอดคล้องกับทิศทางบวกเพียงทิศเดียว
สมการการเคลื่อนที่
ทิศขึ้นเป็นบวก และพื้นอยู่ต่ำกว่าจุดเริ่มต้น h₀
−15 = 5·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 5·t − 15 = 0
แก้สมการกำลังสอง
มีเพียงรากที่เป็นบวกเท่านั้นที่เป็นไปได้ทางกายภาพ
t = (5 + √(5² + 2·9.81·15))/9.81 = 2.331 s
คำตอบ
t = 2.331 s
3.กฎของนิวตัน
คำตอบ: a = 0.679 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 = 392.4 − 70·sin 25° = 362.8 N
แรงในแนวนอน
m·a = F·cos θ − μ·N = 63.44 − 36.28
a = 27.16/40 = 0.679 m/s²
คำตอบ
a = 0.679 m/s²
4.กฎของนิวตัน
คำตอบ: d = 5.334 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 15° + 0.15·cos 15°) = 3.96 m/s²
ระยะทาง
d = v₀²/(2a) = 6.5²/(2·3.96) = 5.334 m
คำตอบ
d = 5.334 m
5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: x = 141.2 m
การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์: เมื่อไม่มีแรงต้านอากาศ x = vxt และ y = h + vyt − ½gt² ทั้งสองทิศทางเป็นอิสระต่อกัน ยกเว้นว่าใช้เวลาเดียวกัน
แยกความเร็วต้น
ความเร็วในแนวนอนคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่งคงที่ g = 9.81 m/s² ลงด้านล่าง
vx = v0·cos θ = 40·cos 60° = 20 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 60° = 34.64 m/s
เวลาที่อยู่ในอากาศ
เริ่มต้นและตกลงที่ความสูงเท่ากัน: t = 2vy/g
t = 2·34.64/9.81 = 7.062 s
ระยะทางในแนวนอน
x = vx·t = 20·7.062 = 141.2 m
คำตอบ
x = 141.2 m
6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
คำตอบ: x = 22.44 m
การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์: เมื่อไม่มีแรงต้านอากาศ x = vxt และ y = h + vyt − ½gt² ทั้งสองทิศทางเป็นอิสระต่อกัน ยกเว้นว่าใช้เวลาเดียวกัน
แยกความเร็วต้น
ความเร็วในแนวนอนคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่งคงที่ g = 9.81 m/s² ลงด้านล่าง
vx = v0·cos θ = 11·cos 55° = 6.309 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 55° = 9.011 m/s
เวลาที่อยู่ในอากาศ
แก้ y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 หาค่ารากที่เป็นบวก
0 = 30 + 9.011·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9.011 + √(81.19 + 588.6))/9.81 = 3.557 s
ระยะทางในแนวนอน
x = vx·t = 6.309·3.557 = 22.44 m
คำตอบ
x = 22.44 m
7.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: vmax = 17.99 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) = √(0.3·9.81·110) = 17.99 m/s
คำตอบ
vmax = 17.99 m/s (64.77 km/h)
8.การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
คำตอบ: Ttop = 51.24 N
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.
½kx² = 12.26 → x = √(2·12.26/1000) = 0.1566 m = 15.66 cm
คำตอบ
x = 15.66 cm
11.โมเมนตัมและการชน
คำตอบ: ΔK = 85120 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.
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
คาบของลูกตุ้ม
T = 2π·√(1.5/9.81) = 2.457 s
คำตอบ
T = 2.457 s
14.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: vmax = 1.266 m/s
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
ความถี่เชิงมุม
ω = √(360/1.1) = 18.09 rad/s
อัตราเร็วสูงสุด
vmax = A·ω = 0.07·18.09 = 1.266 m/s
คำตอบ
vmax = 1.266 m/s
15.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: f′ = 405.8 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|