โมเมนต์ของแรง

admin
2 years ago

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

1. โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา เมื่อวัตถุถูกแรงมากระทำแล้วหมุนไปในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา
2. 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

1. แรงต้านทาน (Weight; W) หรือน้ำหนักของวัตถุ
2. แรงพยายาม (Effort; E) หรือแรงที่กระทำต่อคาน
3. 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)