Key Takeaways:
แรงเสียดทาน เป็นเรื่องที่ประยุกต์ใช้ร่วมกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ซึ่งเป็นหนึ่งในหัวข้อยอดฮิตที่ออกในข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ โดยจุดสำคัญที่ต้องแยกให้ถูกคือ แรงเสียดทานสถิต (เกิดขณะวัตถุอยู่นิ่ง มีค่าไม่คงที่และจะสูงสุดตอนวัตถุเริ่มจะขยับ) กับ แรงเสียดทานจลน์ (เกิดขณะวัตถุกำลังเคลื่อนที่ มีค่าคงที่เสมอ) ซึ่งหัวใจในการคำนวณคือการหาแรงแนวฉาก (
N) ให้ถูกต้อง และเรื่องนี้ยังเป็นรากฐานสำคัญที่เชื่อมโยงไปสู่บทอื่นๆ เช่น การคิดงานของแรงต้านในเรื่องงานและพลังงาน หรือการทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางที่ช่วยให้รถเลี้ยวโค้งได้อย่างปลอดภัย
Table of Contents
สำหรับน้อง ๆ ที่กำลังเรียนอยู่ในระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย วิชาฟิสิกส์ในพาร์ทกลศาสตร์ถือเป็นหัวใจสำคัญที่มีสัดส่วนคะแนนสูงมากในทุกสนามสอบ โดยเฉพาะเรื่อง “กฎของนิวตัน” ซึ่งหนึ่งในแรงพื้นฐานที่น้อง ๆ จะต้องเจอในโจทย์แทบทุกข้อและหลีกเลี่ยงไม่ได้เลยก็คือ แรงเสียดทาน (Friction Force) หากน้อง ๆ ไม่เข้าใจคอนเซปต์นี้อย่างลึกซึ้ง การคำนวณเรื่องแรง มวล และความเร่ง จากกฎนิวตัน รวมถึงงานและพลังงานก็จะผิดพลาดตามไปด้วย บทความนี้จะพาน้อง ๆ ไปเจาะลึก เนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย เรื่องนี้กันอย่างละเอียด เพื่อเพิ่มความมั่นใจในการทำข้อสอบและเก็บคะแนนเต็มในวิชา ฟิสิกส์ ม.ปลาย
สมัครเรียนคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : กฎของนิวตัน กับ OnDemand
แรงเสียดทานคืออะไร ?
แรงเสียดทาน คือ แรงที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุสองชิ้น ในทิศทางที่ต้านทานการเคลื่อนที่หรือต้านทานการพยายามเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น ๆ โดยลักษณะสำคัญที่น้อง ๆ ต้องจำให้ขึ้นใจเลยก็คือ ทิศทางของ แรงเสียดทาน จะมีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่หรือการพยายามเคลื่อนที่ของวัตถุเทียบกับผิวสัมผัสเสมอ
ยกตัวอย่างเช่น หากเราออกแรงผลักกล่องไม้ไปทางขวาบนพื้นราบ ผิวของพื้นราบจะออกแรงต้านกล่องไม้ไปทางซ้าย แต่ถ้าเราวางวัตถุไว้บนพื้นเอียงแล้ววัตถุพยายามจะไถลลงมาด้านล่าง ทิศทางของแรงเสียดทานก็จะมีทิศชี้ขึ้นไปตามแนวพื้นเอียงเพื่อต้านการไถลนั้น
ประเภทของแรงเสียดทาน
ในการศึกษา เนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย เราจะแบ่ง แรงเสียดทาน ออกเป็น 2 ประเภทหลัก ๆ ตามสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุ ดังนี้
แรงเสียดทานสถิต (Static Friction: fs)
คือ แรงเสียดทาน ที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุยังไม่มีการเคลื่อนที่เทียบกับผิวสัมผัส (วัตถุยังอยู่นิ่ง) ซึ่งสิ่งที่มักทำให้นักเรียนหลายคนสับสนเกี่ยวกับแรงเสียดทานสถิตคือ “มันมีค่าไม่คงที่” ค่าของมันจะแปรผันตามแรงที่มากระทำ กล่าวคือ ถ้าออกแรงผลักวัตถุ 5 นิวตัน แล้ววัตถุยังอยู่นิ่ง แรงเสียดทานสถิตก็จะมีค่าเท่ากับ 5 นิวตัน ถ้าเพิ่มแรงผลักเป็น 10 นิวตัน แล้ววัตถุยังนิ่ง แรงเสียดทานสถิตก็จะเพิ่มเป็น 10 นิวตันตามไปด้วย (f_s = F)
อย่างไรก็ตาม แรงเสียดทานสถิตนี้จะมีขีดจำกัดสูงสุด ซึ่งเราเรียกว่า “แรงเสียดทานสถิตสูงสุด” (f_{s(max)}) ซึ่งจะเกิดขึ้นในจังหวะที่ “วัตถุกำลังจะเริ่มเคลื่อนที่พอดี”
แรงเสียดทานจลน์ (Kinetic Friction: fk)
คือ แรงเสียดทาน ที่เกิดขึ้นในขณะที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่เทียบกับผิวสัมผัส โดย “มันจะมีค่าคงที่เสมอ” สำหรับผิวสัมผัสคู่หนึ่ง ๆ ไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าใด หรือมีแรงภายนอกมาผลักมากเท่าใด ค่าของแรงเสียดทานจลน์จะไม่เปลี่ยนแปลง ตราบใดที่แรงแนวฉาก (N) ยังเท่าเดิม
กราฟของแรงเสียดทาน
หากเรานำข้อมูลจากการทดลองโดยค่อย ๆ เพิ่มแรงดึงวัตถุ (F) แล้ววัดค่า แรงเสียดทาน (f) ที่เกิดขึ้น เราจะได้กราฟที่มีลักษณะสำคัญแบ่งออกเป็น 2 ช่วงชัดเจน ดังรูป
ช่วงที่ 1 : วัตถุอยู่นิ่งเทียบผิวสัมผัส
เมื่อวัตถุยังไม่เคลื่อนที่ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเป็นแรงเสียดทานสถิตและมีขนาดเท่ากับแรงที่ พยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ (f_s = F)
เมื่อออกแรงเพิ่มขึ้นจนกระทั่งวัตถุเริ่มขยับแรงเสียดทานจะมีขนาดสูงสุด ซึ่งเรียกว่า แรงเสียดทานสถิตสูงสุด (f_{s(max)} = \mu_s N)
ช่วงที่ 2 : วัตถุเคลื่อนที่เทียบผิวสัมผัส
เมื่อออกแรงผลักวัตถุให้เคลื่อนที่จนมากกว่าแรงเสียดทานสถิตสูงสุด วัตถุจะเคลื่อนที่โดยมีแรงเสียดทานมากระทำด้วยขนาดคงตัว ซึ่งเรียกว่า แรงเสียดทานจลน์ (f_k = \mu_k N)
โดยข้อเท็จจริงทางฟิสิกส์ที่ควรรู้คือ สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิต (\mu_s) จะมีค่ามากกว่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ (\mu_k) เสมอ ส่งผลให้ f_{s(max)} > f_k เสมอ
สรุปสูตร แรงเสียดทาน และตัวแปรที่เกี่ยวข้อง
ในการคำนวณวิชา ฟิสิกส์ ม.ปลาย สูตรของ แรงเสียดทาน สามารถสรุปได้ดังตารางต่อไปนี้
| ประเภทแรงเสียดทาน | สูตรคำนวณ | เงื่อนไขการใช้ |
|---|---|---|
| แรงเสียดทานสถิตทั่วไป (fs) | f_s = F | วัตถุอยู่นิ่ง เทียบกับผิวสัมผัส |
| แรงเสียดทานสถิตสูงสุด (fs (max)) | f_{s(max)} = \mu_s N | วัตถุ “เริ่มขยับ” หรือ “กำลังจะเคลื่อนที่พอดี” เทียบกับผิวสัมผัส |
| แรงเสียดทานจลน์ (fk) | f_k = \mu_k N | วัตถุกำลังเคลื่อนที่เทียบกับผิวสัมผัส (ไม่ว่าความเร็วจะคงที่หรือไม่คงที่) |
เมื่อ
- f_s คือ แรงเสียดทานสถิต มีหน่วย นิวตัน (N)
- f_k คือ แรงเสียดทานจลน์ มีหน่วย นิวตัน (N)
- N คือ ขนาดของแรงแนวฉาก มีหน่วย นิวตัน (N)
- \mu_s คือ สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิต ไม่มีหน่วย
- \mu_k คือ สัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ ไม่มีหน่วย
ตัวอย่างการคำนวณแรงเสียดทาน
ตัวอย่างข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ เรื่อง แรงเสียดทาน
ตัวอย่างที่ 1
วัตถุชิ้นหนึ่งมีมวล 0.5 กิโลกรัม มีแรงกระทำจากด้านบนกล่องกดลงมาขนาด F นิวตัน และมีแรงกระทำในแนวระดับขนาด 2F นิวตัน ดังภาพ ความเร่งของวัตถุดังกล่าวมีขนาดกี่เมตรต่อวินาทีกำลังสอง
กำหนดให้ F=1.1 นิวตัน และสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างวัตถุและพื้นผิวมีค่าเท่ากับ 0.20
วิธีทำ
หาแรงเสียดทานจลน์ (fk) ที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัส
จาก f_k = \mu_k N เมื่อ N = F + mg
จะได้ f_k = \mu_k(F + mg)
f_k = (0.20)(1.1+(0.5)(9.8)) f_k = 1.2 \text{ N}หาความเร่งของวัตถุ 0.5 kg
จาก F = ma
จะได้ 2F – f_k = ma
2(1.1) – 1.2 = 0.5aดังนั้น a = 2.0 \text{ m/s}^2
ตัวอย่างที่ 2
สัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ระหว่างวัตถุชิ้นหนึ่งกับพื้นผิว A มีค่าเท่ากับ 0.30 เมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่พบว่าใช้แรงดึงในแนวระดับเท่ากับ 8.0 นิวตัน ถ้าลากวัตถุชิ้นนี้บนพื้นผิว B ด้วยอัตราเร็วคงตัวพบว่าต้องออกแรง 12 นิวตัน
จงหาสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ระหว่างวัตถุชิ้นนี้กับพื้นผิว B
วิธีทำ
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ (a=0)
จะได้ว่า \Sigma F = 0
F – f_k = 0 f_k = F\mu_k N = F เมื่อ N = mg
จะได้ \mu_k mg = F
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่บนพื้นผิว A
จะได้ \mu_{k,A} mg = 8.0
(0.30) mg = 8.0 mg = \dfrac{8.0}{0.30} mg = \dfrac{80}{3}เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่บนพื้นผิว B
จะได้ \mu_{k,B} mg = 12
\mu_{k,B} \dfrac{80}{3} = 12 \mu_{k,B} = \dfrac{12 \times 3}{80}ดังนั้น \mu_{k,B} = 0.45
เรียนเรื่องแรงเสียดทาน กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ม.4 ที่ต้องการปูพื้นฐานเรื่องแรงเสียดทาน หรือเตรียมตัวสอบเรื่องนี้อย่างมีประสิทธิภาพ การเรียนกับ OnDemand ในคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : กฎของนิวตัน เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ด้วยเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับด้วยเทคนิค Supermap และ X-map พร้อมตะลุยโจทย์หลากหลายแนว
นอกจากนี้ สำหรับน้อง ๆ ที่ต้องการเตรียมตัวสอบเข้ามหาวิทยาลัย ทาง OnDemand มีคอร์ส V-Series Physics TCAS เล่ม 2 : กลุ่มกลศาสตร์ 2 ให้เลือกด้วยเช่นกัน ซึ่งน้อง ๆ จะได้เรียนเน้นเนื้อหาที่ออกข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ บ่อย และตะลุยโจทย์สอบเข้ามหาวิทยาลัยเรื่องบทประยุกต์ของแรงเสียดทานกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันแบบเข้มข้นในคอร์สนี้ เพื่อเตรียมพร้อมสอบแข่งขันได้อย่างมั่นใจมากขึ้น
สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
อ้างอิง
- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2563). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 เล่ม 1. พิมพ์ครั้งที่ 1. สกสค. ลาดพร้าว.
- Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9th ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแรงเสียดทาน (FAQs)
Q: สัมประสิทธิ์ความเสียดทาน (μ) มีหน่วยเป็นอะไร
A: สัมประสิทธิ์ความเสียดทานไม่มีหน่วย เนื่องจาก μ = f/N ซึ่งเป็นการหารกันของแรง f ในหน่วยนิวตัน(N) กับแรง N ในหน่วยนิวตัน(N) หน่วยจึงตัดกันหมดไป ซึ่ง เป็นตัวเลขบอกสัดส่วนความหยาบหรือลื่นของผิวสัมผัสเท่านั้น
Q: แรงเสียดทานจลน์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ไหมหากเราเพิ่มแรงผลักให้วัตถุวิ่งเร็วขึ้น
A: ไม่เปลี่ยนแปลง ค่า </span><span style="font-weight: 400;">f</span><span style="font-weight: 400;">k จะมีค่าคงที่เสมอตามพื้นผิวสัมผัสนั้น ๆ ตราบใดที่มวลของวัตถุและพื้นผิวยังเหมือนเดิม ไม่ว่าจะเพิ่มแรงดึงหรือความเร็วเท่าใดก็ตาม
Q: ทำไมวัตถุวางอยู่นิ่งเฉย ๆ บนพื้นราบโดยไม่มีใครไปผลัก ถึงไม่มีแรงเสียดทานสถิตเกิดขึ้น
A: เนื่องจากไม่มีแรงพยายามที่จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่ในแนวราบ แรงเสียดทานสถิตจึงมีค่าเริ่มต้นเป็น 0
นิวตัน ซึ่งจะมากขึ้นก็ต่อเมื่อมีแรงภายนอกมาพยายามดึงหรือผลักให้วัตถุขยับเท่านั้น
Q: แรงแนวฉาก กับ แรงกด เหมือนกันไหม
A: ไม่เหมือนกัน “แรงกด” (Applied Force) คือแรงจากภายนอกที่มากระทำต่อวัตถุให้กดลงบนพื้นผิว ส่วน “แรงแนวฉาก” (Normal Force: N) คือแรงปฏิกิริยาที่พื้นผิว “ดันตอบ” วัตถุขึ้นมา โดยในกรณีวางวัตถุบนพื้นราบและมีแรงกดในแนวดิ่ง แรงแนวฉากจะมีค่าเท่ากับผลรวมของแรงกดและน้ำหนักของวัตถุ (N = F + mg)
