แรงเอกสารประกอบการเรียน 

                                      แรง การเคลื่อนที่ และพลังงานความร้อน

แรง (force) เป็นสิ่งที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่าง เปลี่ยนทิศทาง เกิดการเคลื่อนที่หรือหรือหยุดนิ่งได้ แรงสามารถเปลี่ยนความเร็วของวัตถุได้ หรือกล่าวได้ว่าแรงทำให้วัตถุเกิดความเร่งถ้ามีแรงขนาดเท่ากันกระทำต่อวัตถุในทิศทางตรงกันข้าม อาจจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาดของวัตถุ แต่ไม่มีการเคลื่อนที่ของวัตถุ ลักษณะของแรง แรงเป็น

ปริมาณเวกเตอร์ มีทั้งขนาดและทิศทาง มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) ใช้สัญลักษณ์  F เขียนแทนแรง การเขียนสัญลักษณ์ของแรงที่บอกทิศทางของแรงด้วยนั้น จะใช้ความยาวของเส้นตรงแทนขนาด และใช้หัวลูกศรแทนทิศทางของแรง เรียกว่า เวกเตอร์ของแรง

แรงเคลื่อนที่และตำแหน่งของวัตถุ

การเคลื่อนที่ของวัตถุมีการเคลื่อนที่แบบต่างๆ เช่น การเคลื่อนที่ในแนวตรง แนวโค้ง และการเคลื่อนที่เป็นวงกลม ซึ่งในการเคลื่อนที่นั้นระบุว่า วัตถุอยู่ที่ใดต้องกำหนดจุดอ้างอิง ระยะทางและทิศที่วัตถุนั้นห่างจากจุดอ้างอิง ซึ่งเรียกว่า การกระจัด ซึ่งการกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยปริมาณเวกเตอร์เป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เขียนแทนด้วยลูกศร ความยาวของลูกศรแทนขนาด และหัวลูกศรแทนทิศทาง วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะเคลื่อนที่เร็วหรือช้า พิจารณาจากระยะทางที่ได้หรือการกระจัดที่ได้เทียบกับเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่แบบต่างๆ มีลักษณะเฉพาะของการเคลื่อนที่

• การเคลื่อนที่แนวเส้นตรง : วัตถุจะเคลื่อนที่ในแนวเดิม (ทิศเดิมหรือทิศตรงข้าม) โดยอาจมีแรงกระทำต่อวัตถุหรือไม่ก็ได้ ถ้ามีแรงกระทำ ทิศของแรงที่กระทำจะอยู่ในแนวเดียวกับแนวการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ
• การเคลื่อนที่แนวโค้ง : วัตถุจะมีการเคลื่อนที่ 2 แนวพร้อมๆ กัน เช่น เคลื่อนที่ในแนวราบและในแนวดิ่ง แรงที่กระทำต่อวัตถุจีทิศคงตัวตลอดเวลา โดยทำมุมใดๆ กับทิศของความเร็ว เช่น แรงดึงดูดของโลก
• การเคลื่อนที่วงกลม : วัตถุเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งรอบจุดๆ หนึ่ง โดยมีแรงกระทำในทิศเข้าสู่ศูนย์กลาง
• การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย : วัตถุจะเคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำรอยเดิมโดยมีแอมพลิจูดคงตัว

แรงกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ (แรงที่กระทำต่อวัตถุ)

      การออกแรงกระทำต่อวัตถุอาจทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ หรือวัตถุอาจไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากมีแรงย่อยอื่นมาร่วมกระทำ ทำให้เกิดการหักล้างของแรงในปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นวัตถุที่จะเคลื่อนที่ได้หรือไม่ได้ก็ขึ้นอยู่กับแรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุนั่นเองเมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากถูกหักล้างด้วยแรงอื่นที่ร่วมกระทำต่อวัตถุนั้น แต่ไม่ว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่หรือไม่เคลื่อนที่ก็ตามจะเกิดแรงลัพธ์ของวัตถุเสมอ

แรงชนิดต่าง

แรงลัพธ์ หรือแรงรวม หมายถึง ผลรวมของแรงย่อยแบบเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ ถ้าแรงลัพธ์มีค่าเป็นศูนย์ แสดงว่าวัตถุไม่มีการเคลื่อนที่อันเนื่องมาจากแรงที่มากระทำต่อวัตถุ 

แรงย่อย หมายถึง แรงที่เป็นองค์ประกอบของแรงลัพธ์

การหาค่าแรงลัพธ์จากเวกเตอร์

1. เมื่อแรงย่อยมีทิศทางเดียวกัน ให้นำแรงย่อยมารวมกัน สามารถเขียนเวกเตอร์แทนแรงได้ด้วยเส้นตรงและหัวลูกศร                                                                                                                                      
2. เมื่อแรงย่อยมีทิศทางตรงกันข้าม ให้นำค่าของแรงย่อยมาหักล้างกัน เวกเตอร์ของแรงลัพธ์จะมีทิศไปทางแรงที่มากกว่า ค่าของแรงลัพธ์เท่ากับผลต่างของแรงย่อยทั้งสอง                             

• ถ้าแรงย่อยเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงข้าม จะได้แรงลัพธ์มีค่าเป็นศูนย์และไม่มีความเร่ง ดังนั้นวัตถุจะคงสภาพเดิม                                                                                                                                            การเขียนปริมาณเวกเตอร์ เขียนแทนด้วยเส้นตรงที่มีหัวลูกศรกำกับความยาวของเส้นตรงแทนขนาดของเวกเตอร์ และหัวลูกศรแทนทิศทางของเวกเตอร์ การเขียนสัญลักษณ์ของเวกเตอร์เขียนได้หลายแบบ เช่น เวกเตอร์ A สามารถเขียนสัญลักษณ์แทนเป็น  หรือ a

การหาแรงรวมหรือแรงลัพธ์ด้วยการเขียนรูป

1. ใช้เส้นตรงแทนขนาดของแรงและใช้ลูกศรแทนทิศของแรง
2. เริ่มต้นด้วยแรงตัวที่ 1 แล้วนำแรงตัวที่ 2 มาชนโดยให้หางลูกศรของแรงตัวที่ 1 ชนกับหัวลูกศรของแรงตัวที่ 1 ต่อกันเช่นนี้เรื่อยไป                                                                                                                                                                 พลังงานความร้อน
             พลังงานความร้อน เป็นพลังงานที่เคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อวัตถุดูดพลังงานความร้อนเข้าไป ก็จะทำให้พลังงานในวัตถุเพิ่มขึ้น
   
   อุณหภูมิและหน่วยวัด
             นักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเทอร์มอมิเตอร์ (thermometer) ขึ้น เพื่อใช้สำหรับวัดอุณหภูมิของสิ่งต่าง ๆ
             การกำหนดมาตรวัดอุณหภูมิจำเป็นต้องมีจุดอ้างอิง เรียกว่า จุดคงที่ (fixed points) ซึ่งจะแบ่งเป็นจุดเยือกแข็งหรือจุดคงที่ต่ำสุด เป็นอุณหภูมิของน้ำแข็งบริสุทธิ์ขณะกำลังหลอมเหลว ณ ความดัน 1 บรรยากาศ และจุดเดือดหรือจุดคงที่สูงสุด เป็นอุณหภูมิของไอน้ำขณะที่น้ำกำลังเดือดกลายเป็นไอ ณ ความดัน 1 บรรยากาศ หน่วยที่ใช้วัดอุณหภูมิโดยทั่วไปมี 4 แบบ คือ
                      1. องศาเซลเซียส (Degree Celsius: °C) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุด โดยมีจุดเยือกแข็งของน้ำอยู่ที่ 0 °C และจุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 100 °C ช่วงระหว่างจุดเยือกแข็งกับจุดเดือดของน้ำแบ่งเป็น 100 ช่องเท่า ๆ กัน แต่ละช่องกำหนดให้เป็น 1 องศาเซลเซียส (°C)
   
   
   
   
                       2. องศาฟาเรนไฮต์ (Degree Fahrenheit: F) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุดในประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศจาไมกา โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 32 °F และจุดเดือดอยู่ที่ 212 °F ช่วงระหว่างจุดเยือกแข็งกับจุดเดือดของน้ำแบ่งเป็น 180 ช่องเท่า ๆ กัน
                       3. เคลวิน (Kelvin: K) เป็นหน่วยบอกอุณหภูมิในระบบเอสไอ โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 273 K และจุดเดือดอยู่ที่ 373 K
                       4. องศาโรเมอร์ (Degree Romer: °R) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุดในประเทศฝรั่งเศส โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 0 °R และจุดเดือดอยู่ที่ 80 °R ช่วงอุณหภูมิ 1   R จะเท่ากับ 1.25 °C
   
   
   
   
             ส่วนประกอบและการทำงานของเทอร์มอมิเตอร์
                       เทอร์มอมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดสมบัติทางกายภาพของสารที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอตามอุณหภูมิ เทอร์มอมิเตอร์มีหลายชนิด ได้แก่ เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว เทอร์มอคัปเปิล และเทอร์มอมิเตอร์โลหะคู่
             เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว
                       เทอร์มอมิเตอร์ประเภทนี้ใช้หลักการขยายตัวและการหดตัวของของเหลว เช่น เทอร์มอมิเตอร์แบบปรอท
   
   
   
   
                       เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้วอีกประเภทหนึ่ง คือ เทอร์มอมิเตอร์วัดไข้  (clinical thermometer) ออกแบบมาเพื่อใช้สำหรับวัดอุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ ช่วงกว้างของมาตรวัดอยู่ระหว่าง 35 °C  ถึง 42 °C
   
   
   
   การถ่ายโอนความร้อน
             การถ่ายโอนความร้อนมี 3 วิธี คือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน
                       การนำความร้อน
                                 การนำความร้อน (conduction) คือ การถ่ายโอนความร้อนจากโมเลกุลภายในวัตถุที่ที่เกิดการสั่นตัวมากขึ้นจนไปชนกับโมเลกุลอื่น ทำให้เกิดการสั่นอย่างต่อเนื่องตลอดเนื้อของวัตถุ โดยที่วัตถุนั้นไม่มีการเคลื่อนที่
                                 วัตถุที่นำความร้อนหรือยอมให้ความร้อนผ่านได้ดี เรียกว่า ตัวนำความร้อน (heat conductor) ส่วนใหญ่เป็นพวกโลหะ โลหะที่นำความร้อนได้ดีที่สุด คือ เงิน ทอง และทองแดง ตามลำดับ ส่วนวัตถุที่ไม่นำความร้อนหรือยอมให้ความร้อนผ่านได้น้อยมาก เรียกว่า ฉนวนความร้อน (heat insulator) เช่น ไม้ พลาสติก แก้ว น้ำ (ของเหลว) และอากาศ (แก๊ส)
                         การพาความร้อน
                                 การพาความร้อน (convection) คือ การถ่ายโอนความร้อนจากที่หนึ่งไปยังที่หนึ่ง โดยโมเลกุลของสารจะเคลื่อนที่ไปด้วย ซึ่งจะเกิดขึ้นในของเหลวและแก๊ส เนื่องจากสสารดังกล่าวสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ เช่น การนึ่งอาหาร ไอน้ำจะพาความร้อนไปสู่อาหารทำให้อาหารสุก แสดงว่า ไอน้ำเป็นตัวกลางในการพาความร้อน
             การใช้ประโยชน์จากการพาความร้อน
                       กาต้มน้ำร้อนไฟฟ้า
   
                       เครื่องปรับอากาศ
   
                       ลมทะเล (sea breeze)
   
   
   
                       ลมบก (land breez)
   
   
   
   การแผ่รังสีความร้อน          การแผ่รังสีความร้อน (radiation) คือ การถ่ายโอนความร้อนจากที่หนึ่งไปยังที่หนึ่ง ซึ่งความร้อนจะถูกปล่อยออกมาทุกทิศทุกทาง โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง โดยรังสีที่แผ่ออกมาคือ รังสีอินฟราเรด และแหล่งกำเนิดที่ให้พลังงานแสง เช่น หลอดไฟฟ้าและกองไฟ ก็จะให้พลังงานความร้อนออกมาด้วย เมื่อวัตถุต่าง ๆ ได้รับรังสีจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน และดูดกลืนความร้อนไว้ แล้วคายความร้อนออกมา ดังนี้
                       การดูดกลืนความร้อน
                                 วัตถุทุกชนิดสามารถดูดกลืนความร้อนได้ วัตถุที่มีสีและพื้นผิวแตกต่างกันจะมีสมบัติในการดูดกลืนความร้อนได้ต่างกัน กล่าวคือ วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบและไม่เรียบเป็นตัวดูดกลืนความร้อนที่ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวเป็นมันวาวและเรียบเป็นตัวดูดกลืนความร้อนที่ไม่ดี
   
   
   
   
                       การคายความร้อน
                                 วัตถุทุกชนิดสามารถคายความร้อนออกมาได้ ถ้ามีการดูดกลืนความร้อน วัตถุที่มีสีและพื้นผิวแตกต่างกันจะมีสมบัติในการคายความร้อนต่างกัน กล่าวคือ วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบและไม่เรียบเป็นตัวคายความร้อนที่ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวเป็นมันวาวและเรียบเป็นตัวคายความร้อนที่ไม่ดี
                                 สรุปได้ว่า การดูดกลืนแสงหรือความร้อนของวัตถุขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ ดังนี้
                                           1. สีของวัตถุ วัตถุสีเข้มจะดูดกลืนแสงหรือความร้อนได้มากกว่าวัตถุสีอ่อน และวัตถุสีเข้มจะคายความร้อนได้ดีกว่าวัตถุสีอ่อนในช่วงเวลาเท่า ๆ กัน
                                           2. พื้นผิวของวัตถุ พื้นผิวที่เรียบเป็นมันวาวจะดูดกลืนความร้อนได้น้อย เพราะพื้นผิวที่เรียบเป็นมันสามารถสะท้อนแสงได้ดี
                      การใช้ประโยชน์จากการดูดกลืนและคายความร้อน
                                เครื่องทำความร้อนด้วยระบบไหลเวียนของน้ำที่ใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (Solar water heaters)
   
   
   
   
                      ตารางสรุปเปรียบเทียบการถ่ายโอนความร้อนในลักษณะต่าง ๆ
   
   
   สมดุลความร้อน        การถ่ายโอนพลังงานจากวัตถุหนึ่งไปสู่อีกวัตถุหนึ่ง  วัตถุที่ร้อนจะเย็นลง เนื่องจากอนุภาคสูญเสียพลังงาน และวัตถุที่เย็นจะร้อนขึ้น เนื่องจากอนุภาคได้รับพลังงานเพิ่มจนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันแล้วจะหยุดการถ่ายโอนความร้อน เรียกว่า วัตถุทั้งสองชนิดอยู่ในภาวะสมดุลความร้อน (thermal equilibrium)
             เราสามารถนำความรู้เรื่องสมดุลความร้อนไปใช้ในชีวิตประจำวันได้ เช่น การผสมน้ำร้อนและน้ำเย็นอาบในวันที่อากาศหนาว การแช่ขวดนมที่ร้อนในน้ำเย็นทำให้นมมีอุณหภูมิต่ำลง และการนำไข่ต้มไปแช่ในน้ำเย็น จะทำให้ไข่เย็นเร็วขึ้น
   
   ผลของพลังงานความร้อน          การเปลี่ยนแปลงสถานะและอุณหภูมิ
                       วัตถุต่าง ๆ สามารถเปลี่ยนแปลงจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งได้ด้วยความร้อนและความเย็น เช่น ไอศกรีมละลาย ณ อุณหภูมิห้อง ต้มน้ำเดือดจนกลายเป็นไอ น้ำกลั่นตัวเป็นหยดน้ำเกาะอยู่ที่ข้างแก้ว เทียนไขที่จุดแล้วไส้เทียนไขจะลุกไหม้ ทำให้ตัวเทียนไขละลายเป็นน้ำตาเทียมและแข็งตัวเมื่อไหลลงสู่พื้น
   
   
   

          แบบทดสอบ

   แรง การเคลื่อนที่ และพลังงานความร้อน
   พลังงานความร้อนแบบทดสอบ