สิ่งของในชีวิตประจำวันที่เราใช้กันมาอย่างยาวนาน เช่น กรรไกร ที่เปิดขวดน้ำอัดลม และตะเกียบ ล้วนเกิดจากการประยุกต์หลักโมเมนต์ของแรง และยังมีเครื่องมืออำนวยความสะดวกอีกมากมายที่เกิดจากการศึกษาเรื่องนี้
โมเมนต์ของแรง (Moment of Force) หรือ “โมเมนต์” (Moment) หมายถึง ผลของแรงที่กระทำต่อวัตถุ ซึ่งทำให้เกิดการหมุนไปรอบจุดหมุน (Fulcrum) ของวัตถุนั้น ๆ เมื่อแรงกระทำไม่ผ่านจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ
ในทางฟิสิกส์ การหมุนของวัตถุที่เกิดจากแรงกระทำในลักษณะนี้ คือการเกิดโมเมนต์ของแรง หรือผลคูณของแรงกับระยะตั้งฉากจากแนวแรงถึงจุดหมุน ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสูตร
M = F X L
เมื่อ M = โมเมนต์ของแรง
F = แรง
L = ระยะตั้งฉากจากแนวแรงถึงจุดหมุน
โมเมนต์เป็นปริมาณเวกเตอร์ (Vector) ที่มีทั้งขนาดและทิศทาง และมีหน่วยเป็นนิวตันเมตร (Nm)
โมเมนต์สามารถแบ่งออกเป็น 2 ชนิดตามทิศการหมุน
- โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา เมื่อวัตถุถูกแรงมากระทำแล้วหมุนไปในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา
- โมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา เมื่อวัตถุถูกแรงมากระทำแล้วหมุนไปในทิศทางตามเข็มนาฬิกา
หลักการของการนำโมเมนต์ไปประยุกต์ใช้
เมื่อมีแรงหลายแรงมากระทำต่อวัตถุชิ้นหนึ่ง จนทำให้วัตถุดังกล่าวตกอยู่ในภาวะสมดุลต่อการหมุน คือไม่เกิดการเคลื่อนที่หรือเกิดการหมุนใด ๆ นับเป็นไปตามหลักการหรือกฎของโมเมนต์ที่ว่า
ผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา = ผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา
หรือ M ทวน = M ตาม
หรือ F1 x L1 = F2 x L2
เมื่อ F1 และ F2 = แรงกระทำต่อวัตถุ
L1 และ L2 = ระยะตั้งฉากจากจุดหมุนถึงแนวแรง F1 และ F2 ตามลำดับ เมื่อวัตถุอยู่ในภาวะสมดุล
หลักการของโมเมนต์และคาน
หลักการของโมเมนต์ถูกนำมาใช้กับอุปกรณ์มากมาย โดยเฉพาะกับเครื่องทุ่นแรงที่เรียกว่า “คาน” (Lever) ไม่ว่าจะเป็นคานดีดหรือคานงัดที่สามารถทำให้วัตถุให้เคลื่อนที่รอบจุดหมุนและช่วยผ่อนแรงในการทำงานของมนุษย์ อย่างการเคลื่อนย้ายวัตถุที่มีน้ำหนักมากและการก่อสร้างสิ่งปลูกสร้างขนาดใหญ่
คานอาศัยการเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบในการหมุน ทำให้เกิดทั้งการออกแรงที่กระทำต่อคานและเกิดแรงต้านการหมุนขึ้นพร้อม ๆ กันไป ซึ่งแรงทั้ง 2 ประเภทจะเกิดขึ้นในทิศตรงข้ามกันเสมอ
ส่วนประกอบสำคัญ 3 ส่วน ในการทำงานของคาน ได้แก่
- แรงต้านทาน (Weight; W) หรือน้ำหนักของวัตถุ
- แรงพยายาม (Effort; E) หรือแรงที่กระทำต่อคาน
- จุดหมุน (Fulcrum; F)
คานจำแนกได้ 3 ประเภทหรืออันดับ ดังนี้
อันดับที่ 1 คานที่มีจุดหมุน (F) อยู่ตรงกลางระหว่างแรงพยายาม (E) และแรงต้านทาน (W) เช่น กรรไกร คีมตัดลวด และกระดานหก เป็นต้น
อันดับที่ 2 คานที่มีแรงต้านทาน (W) อยู่ระหว่างแรงพยายาม (E) และจุดหมุน (F) เช่น ที่เปิดขวดน้ำอัดลม และรถเข็นทราย เป็นต้น
อันดับที่ 3 คานที่มีแรงพยายาม (E) อยู่ระหว่างแรงต้านทาน (W) และจุดหมุน (F) เช่น ตะเกียบ คีมคีบ และแหนบ เป็นต้น
การผ่อนแรงของคานขึ้นอยู่กับระยะห่างจากแรงพยายามถึงจุดหมุนและระยะห่างจากแรงต้านทานถึงจุดหมุน ซึ่งหากระยะห่างของแรงพยายามถึงจุดหมุนสั้นกว่าระยะของแรงต้านทานถึงจุดหมุน คานดังกล่าวจะไม่สามารถช่วยผ่อนแรงใด ๆ ได้
หลักการของโมเมนต์ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันมากมาย เช่น การเล่นกระดานหก การทำงานของตาชั่งโบราณ การแขวนโมไบล์ รวมไปถึงการนำไปใช้ในการประดิษฐ์เครื่องทุ่นแรงต่าง ๆ ทั้งคีมตัดลวด ที่ตัดเล็บ กรรไกรตัดกระดาษ รถเข็น และที่เปิดขวด เป็นต้น
สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ และณภัทรดนัย
ข้อมูลอ้างอิง
https://blog.startdee.com/โมเมนต์ของแรง-ฟิสิกส์-ม4
https://ajmanut.com/attachments/article/10/บทที่%2004%20โมเมนต์%20และการสมดุลย์.pdf
http://korat.nfe.go.th/sci_t1/chap11/chap11_2.pdf
อ่านเพิ่มเติม แรงและการเคลื่อนที่ (Force and Motion)
