สรุป การเคลื่อนที่แบบวงกลม ม.4 พร้อมข้อสอบและเฉลย

การเคลื่อนที่แบบวงกลม

สำหรับน้อง ๆ ม.ปลายที่กำลังมองหาสรุปเนื้อหาการเคลื่อนที่แบบวงกลม ม.4 ไม่ควรพลาดบทความนี้เลยน้าา เพราะว่าพี่เตรียมสรุปความหมาย ปริมาณที่เกี่ยวข้องและรูปแบบ พร้อมมีตัวอย่างโจทย์ให้แต่ละหัวข้อด้วย และท้ายบทความมีแบบฝึกหัดและเฉลยแจกให้ไปฝึกเพิ่มเติมกันด้วยน้า

  • การเคลื่อนที่แบบวงกลม ต้องมีแรงลัพธ์ในแนวรัศมีชี้เข้าสู่ศูนย์กลางเสมอ เรียกว่า แรงสู่ศูนย์กลาง
    \Sigma F_c = ma_c = \dfrac{mv^2}{r} = m\omega^2 r
  • การเคลื่อนที่แบบวงกลมรูปแบบต่าง ๆ
    วาดแรงที่กระทำต่อวัตถุ \rightarrow แตกแรงในแนวรัศมี (กำหนดทิศเข้าสู่ศูนย์กลางเป็นบวก) \rightarrow ตั้งสมการ F_c = \dfrac{mv^2}{r} \rightarrow แก้สมการหาปริมาณที่ต้องการ
  • การเคลื่อนที่ของดาวเทียม มีแรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ซึ่งอัตราเร็ว \left(v\right) และคาบ \left(T\right) จะขึ้นอยู่กับรัศมี \left(r\right) ของการโคจรเท่านั้น

การเคลื่อนที่แบบวงกลมคืออะไร ?

การเคลื่อนที่แบบวงกลม (Circular Motion) คือ การเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีแนวการเคลื่อนที่เป็นวงกลมหรือส่วนโค้งของวงกลม เช่น ดาวเทียมที่โคจรรอบโลก รถยนต์ที่เลี้ยวโค้งหรือวัตถุที่ผูกเชือกแล้วเหวี่ยงให้เคลื่อนที่เป็นวงกลม

การที่วัตถุจะเคลื่อนที่ตามแนววงกลมได้นั้นจะต้องมีแรงลัพธ์ในแนวรัศมีที่มีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางของแนวการเคลื่อนที่ ซึ่งแรงนี้ทำหน้าที่เปลี่ยนทิศทางของความเร็ว ส่งผลให้วัตถุเบี่ยงเบนแนวการเคลื่อนที่จนเป็นวงกลมได้

แรงลัพธ์ในแนวรัศมีที่มีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางนี้เรียกว่า แรงสู่ศูนย์กลาง (Centripetal Force) ซึ่งไม่ใช่แรงชนิดใหม่ แต่เป็นชื่อเรียกแรงลัพธ์หรือองค์ประกอบของแรงที่ทำหน้าที่พุ่งเข้าสู่ศูนย์กลาง ณ ขณะนั้น ซึ่งอาจเป็นแรงโน้มถ่วง แรงตึงเชือก แรงเสียดทาน หรือแรงแนวฉาก ขึ้นอยู่กับสถานการณ์

ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบวงกลม

คาบ \left(T\right) คือ เวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่เป็นวงกลมครบ 1 รอบ มีหน่วยเป็น วินาที \left(\text{s}\right)

T = \frac{\text{เวลา}}{\text{จำนวนรอบ}}

ความถี่ \left(f\right) คือ จำนวนรอบที่เคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ \left(\text{Hz}\right)

f = \frac{\text{จำนวนรอบ}}{\text{เวลา}}

ความสัมพันธ์ระหว่างคาบและความถี่

T = \dfrac{1}{f}

อัตราเร็วเชิงเส้น \left(v\right) คือ ระยะทางตามแนวเส้นโค้งที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที \left(\text{m/s}\right)

อัตราเร็วเชิงมุม \left(ω\right) คือ มุมที่รัศมีกวาดไปได้ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น เรเดียนต่อวินาที \left(\text{rad/s}\right)

อัตราเร็วเชิงมุม

ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วเชิงเส้นและอัตราเร็วเชิงมุม

v = \omega r

ความเร่งสู่ศูนย์กลาง \left( a_c \right) คือ ความเร่งของวัตถุขณะเคลื่อนที่แบบวงกลม มีทิศพุ่งเข้าหาจุดศูนย์กลางของวงกลมเสมอ มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาทีกำลังสอง \left(\mathrm{m/s^2}\right)

a_c = \dfrac{v^2}{r} = \omega^2 r

แรงสู่ศูนย์กลาง \left( F_c \right) คือ แรงลัพธ์ในแนวรัศมีที่กระทำต่อวัตถุในขณะเคลื่อนที่แบบวงกลม มีทิศพุ่งเข้าหาจุดศูนย์กลางของวงกลม มีหน่วยเป็น นิวตัน \left(\text{N}\right)

F_c = ma_c = \dfrac{mv^2}{r} = m\omega^2 r

ตัวอย่างโจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลม

1. วัตถุมวล 0.1 กิโลกรัม เคลื่อนที่เป็นวงกลมในแนวระดับด้วยอัตราเร็วคงตัว 2.0 เมตรต่อวินาที โดยมีรัศมีการเคลื่อนที่ 1.0 เมตร วัตถุใช้เวลาเท่าใดในการเคลื่อนที่ครบ 5 รอบ

วิธีทำ หาคาบ (เวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ)

หาเวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 5 รอบ

ตอบ วัตถุใช้เวลา 5π วินาที ในการเคลื่อนที่ครบ 5 รอบ

รูปแบบของการเคลื่อนที่แบบวงกลม

การเคลื่อนที่แบบวงกลมมีหลายรูปแบบ ซึ่งแรงสู่ศูนย์กลางในแต่ละรูปแบบเกิดจากแรงที่แตกต่างกัน เช่น แรงตึงเชือก
แรงเสียดทาน และแรงปฏิกิริยาจากพื้น โดยสามารถศึกษาได้จากสถานการณ์ต่อไปนี้

การเคลื่อนที่แบบวงกลมในแนวระดับ

การเคลื่อนที่แบบวงกลมในแนวระดับ

ตัวอย่างโจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลมในแนวระดับ

1. วัตถุมวล 0.50 กิโลกรัม ผูกไว้กับเชือกเบาแล้วแกว่งให้เคลื่อนที่ตามแนววงกลมรัศมี 0.50 เมตร ด้วย ความถี่ 2.0 รอบต่อวินาที แรงสู่ศูนย์กลางที่กระทำต่อวัตถุมีขนาดเท่าใด

วิธีทำ หาอัตราเร็วเชิงเส้น \left(v\right)

แรงสู่ศูนย์กลางที่กระทำต่อวัตถุ คือ แรงตึงเชือก \left(T\right)

ตอบ แรงสู่ศูนย์กลางที่กระทำต่อวัตถุมีขนาด 4\pi^2 นิวตัน

การเคลื่อนที่แบบวงกลมรูปกรวย

ตัวอย่างโจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลมรูปกรวย

1. วัตถุผูกติดปลายเชือกแล้วแกว่งเป็นวงกลมสม่ำเสมอตามแนวราบแบบฐานกรวย ถ้ารัศมีของการแกว่งเป็นวงกลม 30 เซนติเมตรและมวลของวัตถุ 0.5 กิโลกรัม เชือกยาว 50 เซนติเมตร อัตราเร็วเชิงมุมของการแกว่งเป็นกี่เรเดียนต่อวินาที

วิธีทำ หาความสูง h จากสามเหลี่ยมมุมฉาก

หาอัตราเร็วเชิงมุม

ตอบ อัตราเร็วเชิงมุมของการแกว่งเป็น 5 เรเดียนต่อวินาที

การเคลื่อนที่แบบวงกลมในแนวดิ่ง

ขณะที่วัตถุเคลื่อนที่แบบวงกลมในแนวดิ่ง วัตถุจะมีการเปลี่ยนระดับความสูงตลอดการเคลื่อนที่ ดังนั้นความเร็วของวัตถุในแต่ละตำแหน่งจึงแตกต่างกัน ส่งผลให้แรงเข้าสู่ศูนย์กลางในแต่ละตำแหน่งแตกต่างกันด้วย เราจึงพิจารณาแรง
เข้าสู่ศูนย์กลางของวัตถุในแต่ละตำแหน่งได้ ดังนี้

แรงที่กระทำต่อวัตถุที่เคลื่อนที่แบบวงกลมแนวดิ่งในตำแหน่งต่าง ๆ

ตัวอย่างโจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลมในแนวดิ่ง

1. ลูกตุ้มมวล 0.2 กิโลกรัม แขวนด้วยเชือกเบายาว 0.4 เมตร ปล่อยลูกตุ้มลงมาจากตำแหน่ง \text{A} ซึ่งเชือกอยู่ในแนวระดับ ลูกตุ้มเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งของวงกลมลงมาถึงตำแหน่ง \text{B} ซึ่งเป็นจุดต่ำสุด ความตึงในเส้นเชือกที่ตำแหน่ง \text{B} เป็นเท่าใด

กำหนดให้ ขนาดความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกมีค่า 10\ \mathrm{m/s^2} และไม่พิจารณาแรงต้านอากาศ

วิธีทำ หาอัตราเร็วของลูกตุ้มที่ตำแหน่ง \text{B} จากกฎอนุรักษ์พลังงาน

หาความตึงเชือกที่จุด \text{B}

ตอบ ความตึงในเส้นเชือกที่ตำแหน่ง \text{B} มีค่า 6 นิวตัน

การเคลื่อนที่แบบวงกลมบนทางโค้ง

เมื่อรถยนต์หรือรถจักรยานยนต์เลี้ยวโค้งบนถนนระดับ ล้อรถมีแนวโน้มที่จะไถลออกจากทางโค้ง เนื่องจากเกิดแรงเสียดทานสถิตระหว่างล้อรถกับพื้นถนน ซึ่งมีทิศชี้เข้าสู่ศูนย์กลางความโค้งและทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ดังนั้นหากแรงเสียดทานสถิตที่พื้นถนนไม่มากพอจะทำให้รถไถลออกนอกทางโค้ง

รถยนต์และรถจักรยานเข้าโค้งบนถนนระดับ

1. รถยนต์เข้าโค้งบนทางระดับ

แรงที่กระทำกับรถยนต์ขณะเข้าโค้งบนถนนระดับ

2. รถจักรยานยนต์เข้าโค้งบนทางระดับ

เมื่อรถจักรยานยนต์เลี้ยวโค้ง พื้นถนนจะออกแรงเสียดทานสถิต f_s กระทำต่อล้อรถในทิศเข้าหาศูนย์กลางความโค้ง แรงนี้ทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางทำให้รถเลี้ยวโค้งได้ ขณะเลี้ยวโค้งรถและคนขับจึงจำเป็นต้องเอียงเข้าหาศูนย์กลางความโค้ง เพื่อให้แนวแรงลัพธ์ R ของแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก N และแรงเสียดทานสถิต f_s ผ่านศูนย์กลางมวลรวม ซึ่งจะทำให้โมเมนต์ของแรงจากพื้นรอบจุดศูนย์กลางมวลเป็นศูนย์ รถจึงไม่หมุนและไม่ล้มนั่นเอง

แรงที่กระทำกับจักรยานยนต์ขณะเข้าโค้งบนถนนระดับ

ในทางกลับกัน หากรถและคนขับไม่เอียงขณะเลี้ยวโค้ง แนวแรงลัพธ์ R จะไม่ผ่านศูนย์กลางมวลรวม ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงลัพธ์ รอบศูนย์กลางมวล จึงอาจทำให้รถเสียการทรงตัวและล้มได้

ตัวอย่างโจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลมเข้าโค้ง

1. รถยนต์มวล 1\text{,}600 กิโลกรัม แล่นเลี้ยวโค้งบนถนนระดับ ซึ่งมีรัศมีความโค้ง 40 เมตร ด้วยอัตราเร็ว 36 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จงหาแรงเสียดทานระหว่างพื้นถนนกับยางรถที่มีค่าน้อยที่สุดที่ทำให้รถยนต์สามารถเลี้ยวโค้งได้อย่างปลอดภัย

วิธีทำ เปลี่ยนหน่วยอัตราเร็วรถยนต์เป็นหน่วย เมตรต่อวินาที

แรงเสียดทานระหว่างพื้นถนนกับยางรถที่มีค่าน้อยที่สุดที่ทำให้รถยนต์สามารถเลี้ยวโค้งได้อย่างปลอดภัย ก็คือแรงสู่ศูนย์กลาง

ตอบ แรงเสียดทานระหว่างพื้นถนนกับยางรถที่มีค่าน้อยที่สุดทำให้รถยนต์สามารถเลี้ยวโค้งได้อย่างปลอดภัยเท่ากับ 4\text{,}000 นิวตัน

2. รถจักรยานยนต์วิ่งด้วยความเร็ว 54 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ตามทางโค้งซึ่งมีรัศมีความโค้ง 75 เมตร ผิวถนนอยู่ในแนวระดับรถจักรยานยนต์จะต้องเอียงทำมุมกับแนวดิ่งเท่าใดจึงจะไม่ล้ม

วิธีทำ เปลี่ยนหน่วยอัตราเร็วรถจักรยานยนต์เป็นหน่วย เมตรต่อวินาที

หามุมเอียงในแนวดิ่งของรถจักรยานยนต์

ตอบ รถจักรยานยนต์จะต้องเอียงทำมุม 16.7 องศากับแนวดิ่งจึงจะไม่ล้ม

การเคลื่อนที่ของดาวเทียม

ดาวเทียมที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบโลกมีแรงโน้มถ่วงจากโลกกระทำต่อดาวเทียมตลอดเวลา แรงนี้มีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางโลกจึงทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางทำให้ดาวเทียมเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่และโคจรรอบโลกได้ เขียนเป็นสมการได้ว่า

โดย

G คือ ค่าคงตัวความโน้มถ่วงสากล มีค่าประมาณ 6.67 \times 10^{-11}\ \mathrm{{N \cdot m^2}/{kg^2}}
M คือ มวลของโลก มีค่าประมาณ 5.98×10^{24}\ \text{kg}
m  คือ มวลของดาวเทียม  
v    คือ อัตราเร็วของดาวเทียม   
r    คือ รัศมีวงโคจร วัดจากศูนย์กลางโลก 

ดาวเทียมโคจรรอบโลกครบ 1 รอบ ได้ระยะทาง 2πr ใช้เวลา T เขียนเป็นสมการได้ว่า

การเคลื่อนที่ของดาวเทียม

ตัวอย่างโจทย์การเคลื่อนที่ของดาวเทียม

1. ดาวเทียมมวล 50 กิโลกรัม โคจรรอบโลกเป็นวงกลม โดยมีรัศมีวงโคจร 8\text{,}000 กิโลเมตร ที่ตำแหน่งวงโคจรนี้ แรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อวัตถุมีขนาด 8 นิวตันต่อกิโลกรัม คาบการโคจรของดาวเทียมนี้มีค่าประมาณกี่นาที

วิธีทำ หาคาบการโคจรของดาวเทียม

ตอบ คาบการโคจรของดาวเทียม 105 นาที

สูตรการเคลื่อนที่แบบวงกลม

ติว A-Level ฟิสิกส์กับ SmartMathPro

พี่ขอแนะนำตัวช่วยอย่าง คอร์สเตรียมสอบมหาลัยฯ ของ SmartMathPro เลยย มีให้เลือกมากมายทั้งสนาม TGAT / TPAT หรือ A-Level และสอนโดยติวเตอร์ที่มีความเชี่ยวชาญในแต่ละวิชาด้วย

โดยในแต่ละคอร์สจะสอนปูพื้นฐานแบบละเอียด อิงตาม Test Blueprint ปีล่าสุด (ใครที่พื้นฐานไม่แน่นก็สามารถเรียนได้) พร้อมพาตะลุยโจทย์แบบไต่ระดับ ตั้งแต่โจทย์ซ้อมมือไปจนถึงข้อสอบเก่าหรือโจทย์ที่ใกล้เคียงกับข้อสอบจริง แถมยังแจกเทคนิคในการทำข้อสอบที่จะช่วยให้น้อง ๆ ทำข้อสอบได้เร็วขึ้นและช่วยเพิ่มโอกาสในการอัปคะแนนให้อีกด้วย สำหรับน้อง ๆ คนไหนที่สมัครตอนนี้ รับฟรี Unseen Mock Test ชุดพิเศษ และสิทธิพิเศษต่าง ๆ ประจำเดือน ถ้าใครสนใจ คลิก เข้ามาดูรายละเอียดแต่ละคอร์สได้เลยยย

ข้อสอบแสงเชิงรังสีพร้อมเฉลย

ข้อสอบการเคลื่อนที่แบบวงกลม ข้อที่ 1
เฉลยโจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลม ข้อที่ 1

วิธีทำ

หาอัตราเร็วเชิงเส้นขณะที่เชือกอยู่ที่แนวระดับ \left(v_2\right)

หาแรงตึงเชือกขณะที่เชือกอยู่ที่แนวระดับ

ตอบ ขณะที่เชือกอยู่ในแนวระดับ แรงตึงเชือกจะมีขนาด 75.20 นิวตัน

ข้อสอบการเคลื่อนที่แบบวงกลม ข้อที่ 2
เฉลยโจทย์การเคลื่อนที่แบบวงกลม ข้อที่ 2

วิธีทำ หาขนาดของแรงสู่ศูนย์กลาง

เนื่องจากวัตถุมีขนาดของแรงสู่ศูนย์กลางเท่าเดิม จะได้

ตอบ อัตราเร็วเชิงเส้นของวัตถุมีค่า 4.0 เมตรต่อวินาที

แจกฟรี ข้อสอบฟิสิกส์พร้อมเฉลย

ดูคลิปติว A-Level ฟิสิกส์

ดูคลิปติววิชาอื่น ๆ ได้ทาง Youtube : SmartMathPro

ทีมวิชาการฟิสิกส์

ผู้อยู่เบื้องหลังการจัดทำคอร์สเรียนร่วมกับพี่ติวเตอร์
และผู้เขียนบทความวิชาการฟิสิกส์ของสถาบัน SmartMathPro

ทีมวิชาการฟิสิกส์

ผู้อยู่เบื้องหลังการจัดทำคอร์สเรียนร่วมกับพี่ติวเตอร์
และผู้เขียนบทความวิชาการฟิสิกส์ของสถาบัน SmartMathPro

สำหรับน้อง ๆ ที่สนใจสอบถามข้อมูลเพิ่มเติม รวมถึงติดตามข่าวสารต่าง ๆ ที่อัปเดตอย่างเรียลไทม์ ได้ที่

Line : @smartmathpronews

FB : Pan SmartMathPro ติวคณิต By พี่ปั้น 

IG : pan_smartmathpro

X : @PanSmartMathPro

Tiktok : @pan_smartmathpro

Lemon8 : @pan_smartmathpro

Share
โปรโมชัน




คลังข้อสอบ



เว็บไซต์สอบเข้าบัญชี-บริหาร



เว็บไซต์สำหรับ Dek70