Home
Education
Classroom
Knowledge
Blog
TV
ธรรมะ
กิจกรรม
โครงการทรูปลูกปัญญา

สภาพสมดุล (Equilibrium)

Posted By Plook Creator | 09 ก.พ. 61
63,336 Views

  Favorite

สงสัยหรือไม่

     - บางคนสามารถนำก้อนหินมาซ้อนกันสูง ๆ ให้อยู่ในสภาพสมดุลได้อย่างไร
     - บางคนยืนตัวตรงและทรงตัวอยู่บนพื้นที่เล็ก ๆ บนหน้าผาหรือเดินบนขอบกำแพงได้อย่างไร
     - ตุ๊กตาล้มลุกที่ต่อยหรือผลักให้โยกไปมาแล้วกลับคืนยืนนิ่งเหมือนเดิม มันเกิดขึ้นได้อย่างไร

 

 

ภาวะที่เกิดขึ้นเหล่านี้ถูกเรียกในทางฟิสิกส์ว่า สภาพสมดุล หรือสภาพที่แรงกระทำกับวัตถุนั้น ๆ ในทิศทางและขนาดที่ทำให้เกิดสมดุล โดยหักล้างกันทั้งหมดจนทำให้วัตถุนั้น ๆ อยู่นิ่งหรือรักษาสภาพการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงเเดิม ซึ่งเป็นไปตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ข้อที่ 1


สภาพสมดุล (Equilibrium)

สมดุลของแรง คือ การที่วัตถุสามารถรักษาสภาพการเคลื่อนที่ให้คงเดิมอยู่ได้ สภาพการเคลื่อนที่ในที่นี้อาจจะหมายถึง ความเร็วคงที่ในสมดุลจลน์ (Kinetic Equilibrium) หรือวัตถุหยุดอยู่นิ่ง ความเร็วเป็นศูนย์ ในสมดุลสถิต (Static Equilibrium) ซึ่งไม่ว่าจะเป็นสมดุลจลน์หรือสมดุลสถิตก็ล้วนเกิดขึ้นกับวัตถุที่มีแรงลัพธ์ ซึ่งกระทำกับวัตถุในทุกทิศทางเป็นศูนย์ (∑F = 0)


หากจะพิจารณาถึงความสมดุลของวัตถุหรือสภาพสมดุลใด ๆ ต้องพิจารณาจุดศูนย์กลางมวลและจุดศูนย์ถ่วงด้วย โดยจุดศูนย์กลางมวล (Center of Mass, CM) หมายถึงจุดเสมือนที่รวมมวลของวัตถุทั้งก้อน ส่วนจุดศูนย์ถ่วง (Center of Gravity, CG) คือ จุดที่เสมือนจุดรวมน้ำหนักของวัตถุทั้งก้อน อย่างไรก็ตามน้ำหนักในที่นี้พิจารณาหรือคำนวณสัมพันธ์กับแรงดึงดูด ดังนั้น วัตถุทุกชนิดจะมีจุดศูนย์กลางมวลไม่ว่าอยู่ที่ใด แต่จะมีจุดศูนย์ถ่วงในกรณีที่วัตถุนั้น ๆ อยู่ภายใต้แรงดึงดูดของโลกเท่านั้น

ภาพ : Shutterstock

 

สิ่งที่สำคัญคือ ทั้งสองจุดอาจอยู่ภายในวัตถุหรือนอกวัตถุก็ได้ เช่น หากนำล้อยางมาตั้งตรง ล้อยางซึ่งมีรูตรงกลางอาจจะมีจุดศูนย์กลางมวลอยู่ในตำแหน่งช่องว่างตรงกลางนั้นก็เป็นได้ จุดศูนย์กลางมวลและจุดศูนย์ถ่วงมีความสำคัญกับสภาพสมดุลเพราะเราใช้ในการพิจารณาว่าวัตถุนั้น ๆ อยู่ในสภาพสมดุลหรือไม่และในประเภทใด

 

เสถียรภาพของสมดุล

เสถียรภาพของสมดุลแบ่งเป็น 3 ประเภท
- สมดุลเสถียร (Stable Equilibrium) คือ สมดุลที่วัตถุวางอยู่กับที่นิ่ง ๆ ได้ หากถูกแรงกระทำที่น้อยมาก อาจทำให้มันเคลื่อนที่เพียงเล็กน้อยและจะกลับคืนสู่สภาพเดิม หากพิจารณาจากจุด CG จะเห็นว่าแรงที่กระทำต่อวัตถุจะทำให้จุด CG ของวัตถุสูงขึ้นกว่าเดิม และมีแนวโน้มจะกลับคืนสู่ที่เดิม ยกตัวอย่างเช่น ลูกปิงปองในชาม ที่เราส่งแรงหรือปัดลูกปิงปองไปเบา ๆ ทำให้ลูกปิงปองเคลื่อนที่ แต่ท้ายที่สุดแล้วก็จะกลับมาอยู่ที่เดิม

ภาพ : ทรูปลูกปัญญา

 

- สมดุลไม่เสถียร  (Unstable Equilibrium) คือสมดุลที่วัตถุไม่สามารถคงที่อยู่นิ่งได้ เมื่อมีแรงมากระทำ จะทำให้จุด CG ต่ำลงกว่าเดิม นั่นแปลว่าวัตถุจะเปลี่ยนแปลงตำแหน่งไป ตัวอย่างเช่น นำชามมาคว่ำลงแล้วเอาลูกปิงปองมาวางนิ่ง ๆ ไว้ตรงก้นชาม เมื่อเราเอาดีดหรือเคาะลูกปิงปองเบา ๆ ลูกปิงปองจะไหลตกออกจากก้นชาม เมื่อนั้นคือจุด CG ของลูกปิงปองต่ำลงกว่าเดิม

ภาพ : ทรูปลูกปัญญา

 

- สมดุลสะเทิน (Neutral Equilibrium) คือ วัตถุได้รับแรงแล้วจะเปลี่ยนตำแหน่งไปจากเดิม แต่ยังมีลักษณะเดิม รวมถึง CG อยู่ในระนาบเดิม ทำให้ยังคงสภาพเดิมไว้ได้ เช่น หากลูกปิงปองวางอยู่บนพื้นราบธรรมดา เมื่อรับแรงแล้วก็ยังจะอยู่บนพื้น อาจจะแค่กลิ้งเปลี่ยนตำแหน่งไปเท่านั้น

ภาพ : ทรูปลููกปัญญา


เมื่อเราทราบว่า CG และ CM คือ จุดเสมือนจุดรวมน้ำหนักและมวลที่เป็นตัวกำหนดว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่ไหลไปจากจุดเดิมอย่างไร หากวัตถุได้รับแรงแล้วจุด CG ยังคงตกลงผ่านพื้นผิวสัมผัส หรือฐานของวัตถุที่สัมผัสพื้นอยู่ วัตถุก็จะไม่เคลื่อนที่หรือล้มออกจากตำแหน่ง ดังนั้น การซ้อนหินขึ้นไปหรือการทรงตัวของตุ๊กตาล้มลุกที่เด็ก ๆ ชอบเล่นก็ใช้หลักการนี้เช่นกัน

 

 

 

เว็บไซต์ทรูปลูกปัญญาดอทคอมเป็นเพียงผู้ให้บริการพื้นที่เผยแพร่ความรู้เพื่อประโยชน์ของสังคม ข้อความและรูปภาพที่ปรากฏในบทความเป็นการเผยแพร่โดยผู้ใช้งาน หากพบเห็นข้อความและรูปภาพที่ไม่เหมาะสมหรือละเมิดลิขสิทธิ์ กรุณาแจ้งผู้ดูแลระบบเพื่อดำเนินการต่อไป
Tags
  • Posted By
  • Plook Creator
  • 15 Followers
  • Follow