Key Takeaways:
เนื้อหาฟิสิกส์ ม.6 หัวข้อสำคัญที่น้อง ๆ สายวิทยาศาสตร์จะพลาดไม่ได้เลยคือเรื่อง ของไหล (Fluids) ซึ่งเป็นบทเรียนที่อธิบายพฤติกรรมของสสารที่สามารถไหลได้ ได้แก่ ของเหลวและแก๊ส โดยบทนี้จะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนหลักคือ ของไหลสถิต (ของไหลที่อยู่นิ่ง) และพลศาสตร์ของไหล (ของไหลที่กำลังเคลื่อนที่) นอกจากนี้ ของไหล ม.6 ยังเป็นหนึ่งในหัวข้อที่ถูกนำมาออกข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ เป็นประจำทุกปี ในบทความนี้ พี่ ๆ ได้สรุปนิยาม สูตรคำนวณพื้นฐาน และตัวอย่างโจทย์อย่างละเอียด เพื่อช่วยให้น้อง ๆ สามารถอัปคะแนนสอบที่โรงเรียนและเตรียมพร้อมลงสนามจริงได้อย่างมั่นใจเต็มร้อย!
Table of Contents
ยินดีต้อนรับน้อง ๆ และผู้ที่กำลังสนใจเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย ทุกคนครับ! ในวิชาฟิสิกส์ ม.6 หนึ่งในปรากฏการณ์ธรรมชาติที่น่าทึ่งและมีความสำคัญที่สุดในการอธิบายสิ่งต่าง ๆ รอบตัว ตั้งแต่เรื่องใกล้ตัวอย่างทำไมเรือเหล็กขนส่งสินค้าขนาดใหญ่ถึงลอยน้ำได้ ไปจนถึงหลักการกลศาสตร์ที่ทำให้เครื่องบินลำยักษ์บินขึ้นสู่ท้องฟ้า ก็คือ เรื่องของไหล (Fluids) ซึ่งเป็นหัวข้อคำนวณยอดฮิตในข้อสอบ ม.ปลาย และข้อสอบเข้ามหาวิทยาลัย บทความนี้จะพาน้อง ๆ ไปเจาะลึกแบบละเอียด ตั้งแต่นิยามพื้นฐานของ ความหนาแน่น ความดัน แรงลอยตัว ตลอดจนพลศาสตร์ของไหล สูตรคำนวณ และตัวอย่างโจทย์ที่มักเจอในข้อสอบ รับรองว่าอ่านจบจะเข้าใจและทำข้อสอบได้อย่างแน่นอนครับ!
สมัครเรียน คอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : ของไหล ฟิสิกส์ ม.6 กับ OnDemand
ของไหลคืออะไร ? แตกต่างจากของแข็งอย่างไร ?
ในทางฟิสิกส์ ของไหล (Fluid) คือ สสารที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างต่อเนื่องเมื่อมีแรงเฉือน (Shear stress) มากระทำ หรือพูดง่าย ๆ คือ สสารที่สามารถ “ไหล” และเปลี่ยนรูปร่างไปตามภาชนะที่บรรจุได้นั่นเอง สิ่งนี้ทำให้ของไหลครอบคลุมสถานะทั้ง ของเหลว (Liquids) และ แก๊ส (Gases) ซึ่งแตกต่างจากของแข็งที่มีรูปร่างและปริมาตรคงที่แน่นอนเนื่องจากมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งกว่า
สมบัติพื้นฐานของของไหล: ความหนาแน่นและความดัน
เมื่อศึกษาของไหลสถิต (Fluids at rest) มีปริมาณพื้นฐาน 2 ปริมาณที่เราจำเป็นต้องเข้าใจและนำไปใช้คำนวณ ได้แก่ ความหนาแน่น และ ความดัน
ความหนาแน่น (Density)
ความหนาแน่น \rho คือ อัตราส่วนระหว่างมวลต่อหนึ่งหน่วยปริมาตรของสารนั้น มีหน่วยเป็น กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร {kg/m}^3คำนวณได้จากสูตร:
\rho = \frac{m}{V}- m คือ มวลของสาร kg
- V คือ ปริมาตรของสาร {m}^3
ความดันของเหลว (Pressure)
ความดัน (P) คือ อัตราส่วนของแรงที่กระทำตั้งฉากต่อพื้นที่ มีหน่วยเป็น นิวตันต่อตารางเมตร ({N/m}^2) หรือ พาสคัล (\text{Pa})
P = \frac{F}{A}สำหรับของเหลว ความดันของของเหลวที่ระดับความลึกใดๆ คือ ความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลวที่อยู่เหนือบริเวณนั้นขึ้นไปจนถึงผิวบนของของเหลวนั้น :
หากเราพิจารณาความดันรวมที่กระทำ ณ จุดนั้น จะต้องบวกด้วย ความดันบรรยากาศ (Atmospheric Pressure: P_a) ที่กดทับลงมาที่ผิวหน้าของของเหลวด้วย เรียกว่า ความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure: P):
P = P_a + P_L = P_a + \rho g hแรงลอยตัวและหลักการของอาร์คิมีดีสคืออะไร ?
เมื่อเราหย่อนวัตถุลงในของไหล จะมีแรงดันจากของไหลกระทำต่อวัตถุในทุกทิศทาง แต่แรงดันที่กระทำต่อผิวส่วนล่างจะมากกว่าผิวส่วนบนเสมอเนื่องจากมีความลึกมากกว่า ผลต่างของแรงดันนี้ทำให้เกิดแรงลัพธ์ในแนวตั้งฉากชี้ขึ้น เรียกว่า แรงลอยตัว (Buoyant Force: F_B)
หลักการของอาร์คิมีดีส (Archimedes’ Principle) กล่าวว่า “แรงลอยตัวที่กระทำต่อวัตถุที่จมในของไหลบางส่วนหรือทั้งหมด จะมีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่” เราสามารถสรุปเป็นสูตรคำนวณได้ดังนี้:
- rho_{\text{fluid} คือ ความหนาแน่นของของไหล (\text{kg/m}^3)
- V_{\text{แทนที่} คือ ปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมอยู่ในของไหล {m}^3
- g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก \text{m/s}^2
ความตึงผิว (Surface Tension: \gamma)
แรงตึงผิวคือ แรงที่พยายามยึดผิวหน้าของของเหลวเอาไว้ มีทิศขนานกับผิวของเหลวและตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส:
\gamma = \dfrac{F}{L}
- F = แรงตึงผิว
- L = ความยาวของเส้นขอบที่วัตถุสัมผัสของเหลว (เช่น ถ้าเป็นห่วงวงกลมจะมีผิวสัมผัส 2 ด้าน L = 2 \times 2\pi r
ความหนืดและกฎของสโตกส์ (Viscosity)
- \eta = ความหนืดของของไหล
- v = ความเร็วของวัตถุทรงกลม
กฎของพาสคัล และเครื่องอัดไฮดรอลิก
กฎของพาสคัลกล่าวว่า “เมื่อเพิ่มความดันให้แก่ของไหลที่อยู่นิ่งในภาชนะปิด ความดันที่เพิ่มขึ้นจะถูกส่งผ่านไปยังทุก ๆ จุดในของไหลอย่างเท่ากัน” หลักการนี้ถูกนำมาสร้าง เครื่องอัดไฮดรอลิก (Hydraulic Press) เพื่อช่วยทุ่นแรง:
- f = แรงที่ใช้กดที่ลูกสูบเล็ก
- a = พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบเล็ก
- W = น้ำหนักหรือแรงที่ยกได้ที่ลูกสูบใหญ่
- A = พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบใหญ่
พลศาสตร์ของไหลและสมการแบร์นูลลี
เมื่อของไหลเกิดการเคลื่อนที่ เราจะเข้าสู่เนื้อหาของ พลศาสตร์ของไหล (Fluid Dynamics) โดยในระดับ ม.ปลาย เราจะศึกษาผ่านแบบจำลอง ของไหลอุดมคติ (Ideal Fluid) ซึ่งมีสมบัติคือ ไม่มีความหนืด, มีการไหลอย่างสม่ำเสมอ, ไม่สามารถอัดได้ (ความหนาแน่นคงตัว), และไหลโดยไม่หมุน
เมื่อของไหลอุดมคติไหลไปตามท่อที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดเปลี่ยนแปลง ปริมาณสำคัญที่เราต้องพิจารณามี 2 สมการหลัก ดังนี้
สมการความต่อเนื่อง (Equation of Continuity)
ระบุว่าอัตราการไหลเชิงปริมาตร (Q) ของของไหลผ่านทุก ๆ หน้าตัดของท่อมีค่าคงตัวเสมอ:
- A คือ พื้นที่หน้าตัดของท่อ
- v คือ อัตราเร็วของของไหล
สมการแบร์นูลลี (Bernoulli’s Equation)
เกิดจากกฎการอนุรักษ์พลังงานของของไหล ระบุว่าผลรวมของความดัน, พลังงานจลน์ต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร, และพลังงานศักย์ต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร ณ จุดใด ๆ ในสายงานการไหล มีค่าคงตัว:
ตัวอย่างข้อสอบฟิสิกส์ A-Level เรื่อง ของไหล
- \frac{A}{g}(P_1 – P_0)
- 1,000g \, A \frac{P_1}{P_0}
- \frac{A}{g}\sqrt{P_1^2 – P_0^2}
- \frac{AP_1}{1,000g \, P_0}
- \frac{A}{g}P_1
วัตถุลอยนิ่งอยู่ในของเหลว จะได้ว่า
\Sigma F_y = 0
P_1 A = P_0 A + mg
(P_1 – P_0)A = mg
ดังนั้น m = \frac{A}{g}(P_1 – P_0) คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 1.
เรียนเรื่องของไหล ฟิสิกส์ ม.6 กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ที่กำลังเผชิญหน้ากับความยากของบทของไหล การทำความเข้าใจเนื้อหาที่มีสูตรจำนวนมากอาจดูเป็นเรื่องยาก แต่ที่ OnDemand เรามีคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : ของแข็ง ของเหลว และของไหล ที่สรุปเนื้อหาจากยากให้เป็นเรื่องง่าย ด้วยสไตล์การสอนแบบคิดวิเคราะห์ เชื่อมโยงแนวคิดอย่างเป็นระบบ พร้อมพาตะลุยโจทย์ แทรก Youtube ของแข็ง ของเหลว และของไหล | ตัวอย่างคอร์สเรียน ฟิสิกส์ ม.ปลาย | OnDemand หรือน้อง ๆ ที่กำลังกำลังเตรียมตัวสอบ A-Level ฟิสิกส์เพื่อเข้ามหาวิทยาลัย แนะนำคอร์สเรียนอย่าง V-Series Physics TCAS เล่ม 4 : กลุ่มสมบัติสาร ที่จะช่วยให้น้อง ๆ เก็บแต้มวิชาฟิสิกส์ได้อย่างแม่นยำ สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนฟิสิกส์เพิ่มเติมได้ที่
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2564). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่ม 5. พิมพ์ครั้งที่ 1. สกสค. ลาดพร้าว.
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับของไหล ม.6 (FAQs)
Q: ความดันเกจและความดันสัมบูรณ์แตกต่างกันอย่างไร ?
A: ความดันเกจ (P_g) คือความดันที่วัดได้เทียบกับความดันบรรยากาศ โดยมีค่าเป็นศูนย์ (0) ที่ระดับความดันบรรยากาศปกติ ส่วนความดันสัมบูรณ์ (P) คือความดันรวมทั้งหมด ณ จุดนั้น ซึ่งเกิดจากการนำความดันเกจมารวมกับความดันบรรยากาศภายนอกเสมอ (P = P_a + P_g)
Q: หากเราดำน้ำลึกเท่ากันในน้ำจืดและน้ำทะเล ความดันที่ตัวเราได้รับจะเท่ากันไหม ?
A: ไม่เท่ากันครับ เนื่องจากน้ำทะเลมีความหนาแน่น ([/katex]rho[/katex]) มากกว่าน้ำจืดตามธรรมชาติ จากสูตรความดันเกจ P_g = \rho gh เมื่อความลึก (h) และค่า (g) เท่ากัน ปัจจัยที่มีผลคือความหนาแน่น ดังนั้น การดำน้ำในน้ำทะเลจะทำให้เราได้รับความดันที่มากกว่าการดำน้ำในน้ำจืดที่ความลึกเท่ากันครับ
Q: เครื่องบินลอยขึ้นสู่อากาศได้ด้วยหลักการใดในเรื่องของไหล ?
A: เครื่องบินสามารถยกตัวขึ้นได้โดยอาศัย สมการเบอร์นูลลี ครับ โดยปีกเครื่องบินถูกออกแบบให้มีความโค้งทางด้านบน ทำให้เมื่อเครื่องบินเคลื่อนที่ อากาศด้านบนปีกจะไหลเร็วกว่าอากาศใต้ปีก จากหลักการของเบอร์นูลลี บริเวณที่ความเร็วของของไหลสูงจะมีความดันต่ำ ส่งผลให้อากาศใต้ปีกที่มีความเร็วต่ำกว่ามีความดันที่สูงกว่า เกิดเป็นแรงยกปีกเครื่องบินขึ้นสู่อากาศนั่นเอง
