การเคลื่อนที่แบบวงกลม คืออะไร และมีลักษณะเฉพาะอย่างไร
การเคลื่อนที่แบบวงกลม เป็นหนึ่งในรูปแบบการเคลื่อนที่ของวัตถุ พบได้ทั้งในธรรมชาติ อย่างการโคจรของดวงดาวรอบดวงอาทิตย์ ไปจนถึงการประยุกต์ใช้ในสิ่งประดิษฐ์ต่างๆ ของมนุษย์
การเคลื่อนที่แบบวงกลม (Circular Motion) คือ การเคลื่อนที่ 2 มิติ ในอีกลักษณะหนึ่งของวัตถุ โดยมีรูปแบบการเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบจุดศูนย์กลาง จากแรงกระทำภายนอกที่ดึงดูดวัตถุเข้าหาศูนย์กลางของวงกลม จึงทำให้วัตถุซึ่งกำลังเคลื่อนที่ในแนวตรงมีการหักเหของทิศทางเป็นวงกลมในลักษณะเท่า ๆ กันรอบศูนย์กลาง เช่น การโคจรของดวงจันทร์ และการโคจรของดาวเทียมรอบโลก
การเคลื่อนที่เป็นวงกลมถูกประยุกต์ใช้ในสิ่งประดิษฐ์ของมนุษย์อย่างแพร่หลาย / ภาพถ่าย Conor Luddyลักษณะทั่วไปของการเคลื่อนที่แบบวงกลม
- มีทิศทางของแรงกระทำหรือความเร่งของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงไปตลอดการเคลื่อนที่ โดยแรงดังกล่าวจะมีทิศตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของวัตถุหรือมีทิศอยู่ในแนวรัศมีของวงกลมที่วัตถุเคลื่อนที่ตลอดเวลา
- การเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ (Uniform Circular Motion) คือ การเคลื่อนที่แบบวงกลมที่มีอัตราเร็วคงที่และสม่ำเสมอ แต่มีทิศทางการเคลื่อนที่ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปทีละน้อย
- แรงกระทำต่อวัตถุที่มีทิศทางเข้าหาศูนย์กลางของแนววงกลมเรียกว่า “แรงสู่ศูนย์กลาง” (Centripetal Force)
โดยทั่วไป วัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมจะเกิดความเร่ง 2 แนว คือ ความเร่งแนวเส้นสัมผัสวงกลมและความเร่งแนวรัศมีหรือความเร่งสู่ศูนย์กลาง แต่ถ้าหากวัตถุเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ เช่น การเคลื่อนที่เป็นวงกลมในแนวระนาบจะเกิดความเร่งสู่ศูนย์กลางเพียงแนวเดียว
การขับรถผ่านทางโค้งหนึ่งในรูปแบบการเคลื่อนที่เป็นวงกลม / ภาพถ่าย Joe Neric
ลักษณะเฉพาะของ การเคลื่อนที่แบบวงกลม คือ
- ระยะเวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ เรียกว่า “คาบ” (Period) ใช้สัญลักษณ์ “T” มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบหรือวินาที
- จำนวนรอบที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ใน 1 หน่วยเวลา เรียกว่า “ความถี่” (Frequency) ใช้สัญลักษณ์ “f” มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz)
- อัตราเร็วเชิงมุม (ω) คือ อัตราส่วนของมุมที่วัตถุเคลื่อนที่เบี่ยงเบนไปจากแนวเดิม หรือ มุมที่รัศมีกวาดไปได้ใน 1 วินาทีมีหน่วยเป็นเรเดียนต่อวินาที
- อัตราเร็วเชิงเส้น (v) คือ ระยะทางหรือความยาวของเส้นโค้งที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที
กฎของนิวตันกับแรงโน้มถ่วง
การเคลื่อนที่แบบวงกลมที่ได้รับการศึกษามาอย่างยาวนาน คือการศึกษาดาราศาสตร์ ซึ่งมนุษย์โบราณได้ศึกษามาก่อนการค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน แต่ในช่วงเวลานั้น วิทยาการความรู้ยังอยู่ในวงจำกัด และไม่มีความแม่นยำ หลังจากนั้น โลกก็รู้จักกฎของนิวตัน และการคำนวนเรื่องตำแหน่งของดวงดาวก็แม่นยำมากขึ้น โดยใช้การคำนวนจากกฎของนิวตันและกฎความโน้มถ่วงสากล
สืบค้นและเรียบเรียง คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ และณภัทรดนัย
ข้อมูลอ้างอิง
https://mateeya-physicseducation.weebly.com/uploads/2/6/6/0/26603561/_cricular_motion.pdf
https://www.scimath.org/lesson-physics/item/9414-2018-11-14-08-28-11
https://il.mahidol.ac.th/e-media/ap-physics1/lesson1_41.html
https://www.trueplookpanya.com/learning/detail/34116
https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zrsdmp3/revision/1