ฟิสิกส์สำหรับวิศวกร: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 20 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

จลนศาสตร์

ความเร็ว: v = v₀ + a·t
การกระจัด: s = v₀·t + ½·a·t²
ไม่ใช้เวลา: v² = v₀² + 2·a·s
หน่วย: 1 m/s = 3.6 km/h

วิธีการ

เขียนสิ่งที่ทราบ: v₀, v, a, t และ s พร้อมหน่วย
เลือกสมการที่มีค่าที่ทราบสามค่าและค่าที่ไม่ทราบ
เลือกทิศบวกหนึ่งทิศและใส่เครื่องหมายลบให้ปริมาณที่ตรงข้ามกัน
แก้สมการและตรวจสอบว่าคำตอบสมเหตุสมผลทางกายภาพ

กฎของนิวตัน

กฎข้อที่สอง: ΣF = m·a
น้ำหนัก: W = m·g
แรงเสียดทานจลน์: F_f = μ·N
บนพื้นเอียง: ตามแนวพื้นเอียง: m·g·sin θ, แนวฉาก: m·g·cos θ

วิธีการ

วาดแผนภาพวัตถุอิสระที่มีทุกแรงที่กระทำต่อวัตถุ
เลือกทิศบวกตามแนวการเคลื่อนที่
แยกแรงเป็นองค์ประกอบตามแนวและตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ (บนพื้นเอียง: m·g·sin θ ตามแนว, m·g·cos θ เข้าหาพื้นเอียง)
ใช้ ΣF = m·a ตามแนวการเคลื่อนที่ แรงเสียดทานคือ μ·N ต้านการเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

องค์ประกอบ: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
ตำแหน่ง: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
ความสูงสูงสุด: H = h + v_y²/(2g)
พิสัย (พื้นราบ): R = v₀²·sin 2θ/g

วิธีการ

แยกความเร็วต้นเป็นองค์ประกอบ: v_x = v₀·cos θ และ v_y = v₀·sin θ
การเคลื่อนที่ในแนวนอนมีอัตราเร็วคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่ง −g
หาเวลาเคลื่อนที่จากการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง
ใช้เวลานั้นในการเคลื่อนที่แนวนอนเพื่อหาพิสัย

งานและพลังงาน

พลังงานจลน์: E_k = ½mv²
พลังงานศักย์: E_p = mgh
สมดุลพลังงาน: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + losses
งานของแรงเสียดทาน: W = μ·N·d
กำลัง: P = W/t

โมเมนตัมและการชน

โมเมนตัม: p = m·v
การอนุรักษ์: Σm·v (before) = Σm·v (after)
ไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์: v′ = (m₁v₁ + m₂v₂)/(m₁ + m₂)
อิมพัลส์: J = F·Δt = m·Δv

วิธีการ

เลือกทิศบวกและใส่เครื่องหมายให้ความเร็วแต่ละค่า
เขียนโมเมนตัมรวมก่อนชน: Σm·v
สำหรับการชนแบบไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์ วัตถุเคลื่อนที่ไปด้วยกันหลังชน สำหรับการชนแบบยืดหยุ่น พลังงานจลน์อนุรักษ์ด้วย
ให้โมเมนตัมก่อนชนเท่ากับโมเมนตัมหลังชนแล้วแก้สมการ

แรงจากความดันของไหลนิ่ง

ความดันที่ความลึกหนึ่ง: p = ρgh
แรงที่กระทำต่อผนังแนวดิ่ง: F = ρg·h_c·A
จุดศูนย์กลางความดัน: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
สี่เหลี่ยมผืนผ้า: I_c = bH³/12

ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

ความต่อเนื่อง: A₁v₁ = A₂v₂
เบอร์นูลลี: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
อัตราการไหล: Q = A·v
พื้นที่วงกลม: A = πd²/4

กฎแก๊สอุดมคติ

กฎแก๊สอุดมคติ: pV = nRT
ค่าคงที่แก๊ส: R = 8.314 J/(mol·K)
กฎแก๊สรวม: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
โมล: n = m/M
อุณหภูมิ: T[K] = T[°C] + 273.15

เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

ประสิทธิภาพ: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
ประสิทธิภาพคาร์โนต์: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP ของตู้เย็น: COP_R = Q_C/W
COP ของปั๊มความร้อน: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
สมดุลพลังงาน: Q_H = W + Q_C

คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์

อัตราเร็วคลื่น: v = fλ, T = 1/f
เส้นเชือก: v = √(T/μ), μ = m/L
ระดับเสียง: β = 10·log₁₀(I/I₀), I₀ = 10⁻¹² W/m²
แหล่งกำเนิดแบบจุด: I = P/(4πr²)
คลื่นนิ่ง: เส้นเชือกหรือท่อปลายเปิด f_n = n·v/(2L); ท่อปลายปิด f_n = n·v/(4L), n เป็นเลขคี่
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์: f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)
ดัชนีหักเห: n = c/v, λ = λ₀/n
กฎของสเนลล์: n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂
มุมวิกฤต: sin θ_c = n₂/n₁
เส้นใยนำแสง: NA = sin θ_a = √(n₁² − n₂²)
เลนส์และกระจก: 1/f = 1/d_o + 1/d_i, m = −d_i/d_o, mirror f = R/2
สลิตคู่: d·sin θ = mλ, y_m = mλL/d
เกรตติง: d = 1/N, d·sin θ = mλ, m_max ≤ d/λ
สลิตเดี่ยว: a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

วิธีการ

ระบุชนิดของโจทย์: อัตราเร็วคลื่น ระดับเสียง คลื่นนิ่ง ดอปเพลอร์ การหักเห เลนส์หรือกระจก หรือการแทรกสอด
เขียนความสัมพันธ์ก่อน: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) หรือ n·v/(4L), f′ = f(v ± v_o)/(v ∓ v_s), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ
แปลงหน่วย: nm, mm และ cm เป็น m และตรวจว่ามุมวัดจากเส้นแนวฉากหรือไม่
ตรวจเครื่องหมายและความสมเหตุสมผล: ภาพเสมือนมี dᵢ < 0, แหล่งกำเนิดที่เคลื่อนเข้าหาได้ยินเสียงสูงขึ้น, ท่อปลายปิดมีเฉพาะฮาร์มอนิกคี่

2โจทย์ฝึก

1.จลนศาสตร์ปานกลาง

คนขับที่ขับด้วย 60 km/h เห็นสิ่งกีดขวาง เวลาตอบสนองของเธอคือ 1.2 s หลังจากนั้นรถเบรกด้วยความหน่วงคงที่ 6 m/s² จงหาระยะหยุดทั้งหมด d นับจากขณะที่เธอเห็นสิ่งกีดขวาง

v₀ = 60 km/ht_r = 1.2 sa = −6 m/s²

d = m

2.จลนศาสตร์ยาก

โยนลูกบอลขึ้นตรง ๆ ด้วยความเร็ว 5 m/s จากขอบหลังคาที่สูงจากพื้น 20 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ และใช้ g = 9.81 m/s² หาความสูงสูงสุด h_max เหนือพื้น

v₀ = 5 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²

h_max = m

3.กฎของนิวตันปานกลาง

เลื่อนหนัก 5 kg ถูกดึงไปบนหิมะราบด้วยเชือกที่ทำมุม 20° เหนือแนวนอนด้วยแรง 30 N สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์คือ 0.2 ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความเร่ง a ของเลื่อน

m = 5 kgF = 30 Nθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.กฎของนิวตันยาก

ก้อนวัตถุหนัก 1.5 kg บนทางลาด 40° เชื่อมด้วยเชือกเบาผ่านรอกไร้แรงเสียดทานที่ยอดทางลาดกับมวล 8.5 kg ที่แขวนอยู่ มวลที่แขวนเคลื่อนที่ลง ทางลาดไร้แรงเสียดทาน ใช้ g = 9.81 m/s² หาแรงตึง T ในเชือก

m₁ = 1.5 kgm₂ = 8.5 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²

T = N

5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง

ยิงลูกบอลจากพื้นราบที่มุม 75° เหนือแนวนอนและตกห่างออกไป 135 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็วต้น v₀

θ = 75°R = 135 mg = 9.81 m/s²

v₀ = m/s

6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก

ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 50° เหนือแนวนอน จากยอดหน้าผาสูง 40 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาเวลาเคลื่อนที่ t จนกระทั่งลูกบอลกระทบพื้น

v₀ = 18 m/sθ = 50°h = 40 mg = 9.81 m/s²

t = s

7.งานและพลังงานปานกลาง

ก้อนวัตถุมวล 2 kg เลื่อนลงไป 8 m ตามพื้นเอียงที่ทำมุม 25° กับแนวนอน โดยมีสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ 0.15 หางาน W_f ที่ทำต้านแรงเสียดทาน

m = 2 kgθ = 25°μ = 0.15d = 8 mg = 9.81 m/s²

W_f = J

8.งานและพลังงานยาก

รถเข็น 2 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 8 m บนรางเรียบที่นำเข้าสู่ลูปวงกลมแนวดิ่งรัศมี 2.5 m จงหาอัตราเร็ว v ของรถเข็นที่จุดสูงสุดของลูป

m = 2 kgh = 8 mR = 2.5 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

9.โมเมนตัมและการชนปานกลาง

กระสุนปืนมวล 9 kg เคลื่อนที่ในแนวนอนด้วย 29 m/s ระเบิดเป็นสองเศษที่เคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงเดียวกัน เศษมวล 3 kg เคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้าด้วย 82 m/s จงหาความเร็ว v′₂ ของเศษมวล 6 kg (ทิศทางเดิมเป็นบวก)

M = 9 kgu = 29 m/sm₁ = 3 kgv′₁ = 82 m/sm₂ = 6 kg

v′₂ = m/s

10.โมเมนตัมและการชนยาก

กระสุน 8 g ถูกยิงในแนวนอนเข้าไปในก้อนไม้หนัก 4 kg ที่แขวนด้วยเชือกเบายาว 0.7 m และฝังอยู่ในนั้น เชือกแกว่งออกไปทำมุมมากที่สุด 25° จากแนวดิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาอัตราเร็ว v ของกระสุนก่อนชน

m = 8 gM = 4 kgL = 0.7 mθ = 25°g = 9.81 m/s²

v = m/s

11.แรงจากความดันของไหลนิ่งปานกลาง

ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 1.5 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำ โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 0.5 m หาแรงลัพธ์จากความดันของไหล F ที่กระทำต่อประตูน้ำ

d = 0.5 mH = 1.5 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

12.แรงจากความดันของไหลนิ่งยาก

ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 1 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำทะเล โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 2 m หาความลึก y_cp ของจุดศูนย์กลางความดันใต้ผิว

d = 2 mH = 3 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

13.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีปานกลาง

น้ำไหล 29 L/s ผ่านท่อแนวนอนที่แคบลงจาก 100 mm เป็น 75 mm ความดันในส่วนแคบคือ 70 kPa ไม่คิดการสูญเสีย จงหาความดัน p₁ ในส่วนกว้าง

Q = 29 L/sd₁ = 100 mmd₂ = 75 mmp₂ = 70 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

14.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลียาก

เวนจูรีมิเตอร์แนวนอน (ทางเข้า 200 mm คอคอด 150 mm) ส่งน้ำ มาโนมิเตอร์ปรอทรูปตัว U ต่อระหว่างทางเข้ากับคอคอดแสดงผลต่างระดับ 130 mm สัมประสิทธิ์การไหลออกคือ 0.99 จงหาอัตราการไหล Q ใช้ ρ = 1000 kg/m³ สำหรับน้ำ 13 600 kg/m³ สำหรับปรอท และ g = 9.81 m/s²

d₁ = 200 mmd₂ = 150 mmΔh = 130 mmC_d = 0.99ρ_Hg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²

Q = L/s

15.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง

200 g ของHeมีปริมาตร V เท่าใดที่ 350 kPa และ 20 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ

m = 200 gM = 4.003 g/molP = 350 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

16.กฎแก๊สอุดมคติยาก

หาความหนาแน่น ρ ของN₂ที่ 950 kPa และ 0 °C โดยถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ

M = 28.01 g/molP = 950 kPaT = 0 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

17.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นปานกลาง

เครื่องยนต์ความร้อนทำงานระหว่างแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูงที่ 525 °C และแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำที่ 5 °C เครื่องยนต์รับความร้อน 3700 kJ หางานมากที่สุด W_max ที่เครื่องยนต์อาจผลิตได้

T_H = 525 °CT_L = 5 °CQ_H = 3700 kJ

W_max = kJ

18.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นยาก

ตู้เย็นรักษาอุณหภูมิช่องเย็นไว้ที่ 5 °C ในครัวที่ 35 °C โดยดึงความร้อนออกจากช่องเย็น 0.5 kW หากำลังป้อนเข้าต่ำสุด Ẇ_min

T_H = 35 °CT_L = 5 °CQ̇_L = 0.5 kW

Ẇ_min = kW

19.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง

วัตถุอยู่หน้าเลนส์รวมแสงบาง 10 cm ซึ่งมีความยาวโฟกัส 20 cm จงหากำลังขยาย m (เป็นลบสำหรับภาพหัวกลับ)

d_o = 10 cmf = 20 cm

m =

20.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ยาก

แสงความยาวคลื่น 650 nm ตกบนสลิตสองช่องที่ห่างกัน 0.2 mm ฉากอยู่ห่าง 1.5 m จงหาระยะ y₂ จากแถบสว่างกลางถึงแถบสว่างลำดับที่ 2

λ = 650 nmd = 0.2 mmL = 1.5 mm = 2

y₂ = mm

3สารละลาย

1.จลนศาสตร์

คำตอบ: d = 43.15 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.

หน่วย

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

ระยะตอบสนอง

d₁ = v₀·t_r = 16.67·1.2 = 20 m

ระยะเบรก

d₂ = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·6) = 23.15 m

รวม

d = 20 + 23.15 = 43.15 m

คำตอบ

d = 43.15 m

2.จลนศาสตร์

คำตอบ: h_max = 21.27 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 = 5²/(2·9.81) = 1.274 m

ความสูงเหนือพื้น

h_max = 20 + 1.274 = 21.27 m

คำตอบ

h_max = 21.27 m

3.กฎของนิวตัน

คำตอบ: a = 4.087 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 = 49.05 − 30·sin 20° = 38.79 N

แรงในแนวนอน

m·a = F·cos θ − μ·N = 28.19 − 7.758

a = 20.43/5 = 4.087 m/s²

คำตอบ

a = 4.087 m/s²

4.กฎของนิวตัน

คำตอบ: T = 20.55 N

แรงตามแนวเชือก

m₂·g = 83.39 N

m₁·g·sin θ = 9.459 N

μ·m₁·g·cos θ = 0 N

ความเร่งของระบบ

a = (83.39 − 9.459 − 0)/10 = 7.393 m/s²

แรงตึงจากมวลที่แขวน

m₂·g − T = m₂·a → T = 8.5·(9.81 − 7.393) = 20.55 N

คำตอบ

T = 20.55 N

5.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: v₀ = 51.47 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

แก้สูตรพิสัยหา v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·135/sin 150°) = 51.47 m/s

คำตอบ

v₀ = 51.47 m/s

6.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: t = 4.588 s

การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์: เมื่อไม่มีแรงต้านอากาศ x = v_xt และ y = h + v_yt − ½gt² ทั้งสองทิศทางเป็นอิสระต่อกัน ยกเว้นว่าใช้เวลาเดียวกัน

แยกความเร็วต้น

ความเร็วในแนวนอนคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่งคงที่ g = 9.81 m/s² ลงด้านล่าง

v_x = v₀·cos θ = 18·cos 50° = 11.57 m/s

v_y = v₀·sin θ = 18·sin 50° = 13.79 m/s

เวลาที่อยู่ในอากาศ

แก้ y(t) = h + v_y·t − ½gt² = 0 หาค่ารากที่เป็นบวก

0 = 40 + 13.79·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (13.79 + √(190.1 + 784.8))/9.81 = 4.588 s

คำตอบ

t = 4.588 s

7.งานและพลังงาน

คำตอบ: W_f = 21.34 J

หลักการงาน–พลังงาน: การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์เท่ากับงานที่แรงทั้งหมดกระทำ เมื่อเขียนแรงโน้มถ่วงและสปริงเป็นพลังงานศักย์ (mgh และ ½kx²) จะได้สมดุลว่า พลังงานเริ่มต้น = พลังงานสุดท้าย + พลังงานที่สูญเสียไปกับแรงเสียดทาน (μN·d)

แรงเสียดทาน

N = mg·cos θ = 19.62·0.9063 = 17.78 N

F = μN = 0.15·17.78 = 2.667 N

งานต้านแรงเสียดทาน

W_f = F·d = 2.667·8 = 21.34 J

คำตอบ

W_f = 21.34 J

8.งานและพลังงาน

คำตอบ: v = 7.672 m/s

อัตราเร็วที่จุดสูงสุด

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(8 − 5) = 58.86 m²/s²

v = 7.672 m/s

คำตอบ

v = 7.672 m/s

รถเข็นผ่านลูปไปได้พอดีเมื่อ h = 2.5R ซึ่งที่จุดสูงสุด N = 0

9.โมเมนตัมและการชน

คำตอบ: v′₂ = 2.5 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 = 9·29 = 261 kg·m/s

โมเมนตัมหลังชน

261 = 3·82 + 6·v′₂

v′₂ = (261 − 246)/6 = 2.5 m/s

คำตอบ

v′₂ = 2.5 m/s

10.โมเมนตัมและการชน

คำตอบ: v = 568.3 m/s

ความสูงที่ก้อนไม้ขึ้นไป

h = L·(1 − cos θ) = 0.7·(1 − cos 25°) = 0.06558 m

อัตราเร็วหลังการชน

V = √(2·9.81·0.06558) = 1.134 m/s

การชน

v = (m + M)·V/m = 4.008·1.134/0.008 = 568.3 m/s

คำตอบ

v = 568.3 m/s

11.แรงจากความดันของไหลนิ่ง

คำตอบ: F = 27.59 kN

แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·y_c·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน y_cp = y_c + I_c/(y_cA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ

ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่

y_c = d + H/2 = 0.5 + 1.5/2 = 1.25 m

A = H·b = 1.5·1.5 = 2.25 m²

แรงลัพธ์

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·1.25·2.25 = 27.59 kN

คำตอบ

F = 27.59 kN

12.แรงจากความดันของไหลนิ่ง

คำตอบ: y_cp = 3.714 m

ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่

y_c = d + H/2 = 2 + 3/2 = 3.5 m

A = H·b = 3·1 = 3 m²

แรงลัพธ์

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9.81·3.5·3 = 105.6 kN

จุดศูนย์กลางความดัน

ความดันเพิ่มขึ้นตามความลึก แรงลัพธ์จึงกระทำต่ำกว่าเซนทรอยด์

I_c = b·H³/12 = 1·3³/12 = 2.25 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 3.5 + 2.25/(3.5·3) = 3.714 m

คำตอบ

y_cp = 3.714 m

13.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: p₁ = 84.73 kPa

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

ความเร็ว

v₁ = Q/A₁ = 0.029/0.007854 = 3.692 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0.029/0.004418 = 6.564 m/s

เบอร์นูลลี

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 70 + ½·1000·(6.564² − 3.692²)/1000 = 70 + 14.73 = 84.73 kPa

คำตอบ

p₁ = 84.73 kPa

14.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: Q = 120 L/s

ผลต่างความดันจากมาโนมิเตอร์

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.13 = 16069 Pa

ความเร็วที่คอคอด

สมการความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีรวมกันให้ความเร็วที่คอคอดอุดมคติ

β = 150/200 = 0.75

v₂ = √(2·16069/(1000·(1 − 0.3164))) = 6.857 m/s

อัตราการไหลจริง

Q = C_d·A₂·v₂ = 0.99·0.01767·6.857 = 0.12 m³/s = 120 L/s

คำตอบ

Q = 120 L/s

15.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: V = 347.9 L

กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M

โมล

n = 200/4.003 = 49.96 mol

T = 20 + 273.15 = 293.1 K

ปริมาตร

V = nRT/P = 49.96·8.314·293.1/350 = 347.9 L

คำตอบ

V = 347.9 L

16.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: ρ = 11.72 kg/m³

ความหนาแน่นของแก๊สอุดมคติ: ρ = PM/(RT)

จัดรูปกฎแก๊สใหม่

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 0 + 273.15 = 273.1 K

ความหนาแน่น

ρ = 950·28.01/(8.314·273.1) = 11.72 kg/m³

คำตอบ

ρ = 11.72 kg/m³

17.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: W_max = 2411 kJ

ขีดจำกัดจากกฎข้อที่สอง: ไม่มีวัฏจักรใดที่ทำงานระหว่างแหล่งความร้อนอุณหภูมิสัมบูรณ์ T_H และ T_L ที่ดีกว่าวัฏจักรผันกลับได้ (วัฏจักรคาร์โนต์): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) และ COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) พลังงานอนุรักษ์เสมอ: Q_H = W + Q_L

อุณหภูมิสัมบูรณ์

T_H = 525 + 273.15 = 798.1 K

T_L = 5 + 273.15 = 278.1 K

ประสิทธิภาพคาร์โนต์

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 278.1/798.1 = 65.15 %

งานสูงสุด

W_max = η_max·Q_H = 0.6515·3700 = 2411 kJ

คำตอบ

W_max = 2411 kJ

18.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: Ẇ_min = 0.05393 kW

อุณหภูมิสัมบูรณ์

T_H = 35 + 273.15 = 308.1 K

T_L = 5 + 273.15 = 278.1 K

COP ที่ดีที่สุดที่เป็นไปได้

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 278.1/(308.1 − 278.1) = 9.272

กำลังต่ำสุด

เครื่องผันกลับได้ต้องการงานน้อยที่สุด ซึ่งมี COP สูงที่สุด

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 0.5/9.272 = 0.05393 kW

คำตอบ

Ẇ_min = 0.05393 kW

19.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์

คำตอบ: m = 2

ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต: ที่รอยต่อ n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (กฎของสเนลล์) โดยวัดมุมจากเส้นแนวฉากและ n = c/v เมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่ช้ากว่า รังสีหักเหเข้าหาเส้นแนวฉาก จากตัวกลางที่หนาแน่นกว่า (n₁ > n₂) เกินมุมวิกฤต θ_c = arcsin(n₂/n₁) แสงทั้งหมดจะสะท้อนกลับ: การสะท้อนกลับหมด เลนส์บางและกระจกทรงกลมเป็นไปตาม 1/f = 1/d_o + 1/d_i โดยกำลังขยาย m = −d_i/d_o ข้อตกลงเครื่องหมาย: f > 0 สำหรับเลนส์รวมแสงและกระจกเว้า (f = R/2), f < 0 สำหรับเลนส์กระจายแสงและกระจกนูน; d_i > 0 สำหรับภาพจริง, d_i < 0 สำหรับภาพเสมือน และ m < 0 สำหรับภาพหัวกลับ

สมการเลนส์บาง

1/d_i = 1/f − 1/d_o = 1/20 − 1/10

d_i = −20 cm

กำลังขยาย

m = −d_i/d_o = −(−20)/10 = 2

คำตอบ

m = 2

20.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์

คำตอบ: y₂ = 9.75 mm

การแทรกสอดและการเลี้ยวเบน: แสงจากสลิตสองช่องที่ห่างกัน d ไปถึงจุดหนึ่งบนฉากโดยมีผลต่างระยะทาง d·sin θ แถบสว่างปรากฏที่ d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …) สำหรับฉากที่ระยะ L ≫ d แถบสว่างลำดับที่ m อยู่ที่ y = mλL/d และระยะห่างระหว่างแถบคือ Δy = λL/d เกรตติงที่มี N เส้นต่อมิลลิเมตรมี d = 1/N และมีค่าสูงสุดที่คมที่ d·sin θ = mλ เนื่องจาก sin θ ≤ 1 อันดับสูงสุดคือจำนวนเต็มที่มากที่สุด m ≤ d/λ สลิตเดี่ยวกว้าง a มีแถบมืดที่ a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

ระยะห่างระหว่างแถบ

Δy = λL/d = 650 × 10⁻⁹·1.5/(0.2 × 10⁻³) = 4.875 mm

แถบลำดับที่ 2

y₂ = 2·4.875 = 9.75 mm

คำตอบ

y₂ = 9.75 mm

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-for-engineers