สมดุลแรง
วัตถุที่แรงลัพธ์เป็นศูนย์ไม่มีความเร่งเชิงเส้น จึงอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวก็ได้ การแก้โจทย์ต้องรวมแรงเป็นเวกเตอร์บนแกนที่เลือก ไม่ใช่ดูว่าแรงแต่ละแรงมีค่าเท่าไรแยกกัน
ใช้ FBD ของวัตถุหนึ่งชิ้น แยกแรงเป็นองค์ประกอบแกน x,y และเข้าใจว่าแรงลัพธ์ศูนย์ทำให้ความเร่งเป็นศูนย์; สำหรับสมดุลสถิต วัตถุต้องอยู่นิ่งด้วย
เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข
1. สมดุลต่อการเลื่อนที่คือผลรวมแรงเวกเตอร์เป็นศูนย์
- สภาพสมดุลต่อการเลื่อนที่ (Translational Equilibrium):
- เงื่อนไขทางคณิตศาสตร์:
- สำหรับวัตถุที่ไม่มีความเร่งเชิงเส้น ผลรวมของแรงภายนอกทั้งหมดที่กระทำบนวัตถุต้องเป็นศูนย์:
- ในระบบพิกัดฉากสองมิติ จะแยกเป็นสองสมการอิสระ: และ
- ความหมายทางกายภาพ:
- ผลรวมแรงเป็นศูนย์ไม่ได้แปลว่าไม่มีแรงมากระทำ แต่หมายถึงมีแรงหลายแรงกระทำแล้วหักล้างกันจนหมดพอดี
- สมดุลสถิต (Static Equilibrium): วัตถุอยู่นิ่งสัมบูรณ์และแรงลัพธ์เป็นศูนย์
- สมดุลจลน์ (Dynamic Equilibrium): วัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในแนวเส้นตรง สภาพนี้มีสมดุลต่อการเลื่อนที่เช่นกัน แม้จะไม่ได้อยู่นิ่งก็ตาม
2. เลือกแกนแล้วใส่เครื่องหมายก่อนบวกแรง
- การตั้งแกนและการแตกแรงในระนาบ:
- การแตกแรงย่อยตามแกนพิกัด:
- แยกแรงที่ทำมุมเอียงให้อยู่บนแกนพิกัดอ้างอิงให้ถูกต้อง
- ตัวอย่าง: แรงดึง ที่ทำมุม เหนือแนวระดับ จะแตกได้เป็น:
- องค์ประกอบแนวราบ:
- องค์ประกอบแนวดิ่ง:
- ข้อควรระวัง: ห้ามจำสลับระหว่าง กับ โดยต้องพิจารณาเสมอว่ามุม วัดเทียบกับแกนใด
- การแปลความหมายเครื่องหมาย:
- หากแก้สมการแล้วได้ขนาดของแรงติดลบ หมายความว่าทิศทางจริงของแรงนั้นตรงข้ามกับทิศทางที่สมมติไว้ตั้งแต่ต้น ไม่ได้แปลว่าขนาดของแรงเป็นลบ

- จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
- ภาพรวมและสาระสำคัญ: วงแหวนเชื่อมต่อโคมไฟรับแรงตึงจากเชือกซ้าย () และเชือกขวา () และรับน้ำหนักโคม () ชี้ลงแนวดิ่ง องค์ประกอบของแรงในแนวระดับและแนวดิ่งหักล้างกันหมดพอดี
- ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: แรงตึงเชือกซ้าย , แรงตึงเชือกขวา , น้ำหนัก , เส้นประแนวระดับและแนวดิ่ง, แผนภาพแรงอย่างย่อไม่เทียบสเกล
- ข้อจำกัดและการนำไปใช้: ระบบสมดุลต่อการเลื่อนที่เมื่อ และ
3. สมดุลแรงอย่างเดียวไม่ได้รับประกันว่าวัตถุไม่หมุน
- ความแตกต่างระหว่างสมดุลการเลื่อนที่กับสมดุลการหมุน:
- ขอบเขตของสมดุลแรง:
- แรงลัพธ์เป็นศูนย์ () รับประกันเพียงว่าจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุจะไม่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง
- แต่หากแรงกระทำในตำแหน่งที่แนวแรงไม่ผ่านจุดเดียวกัน อาจเกิดโมเมนต์ลัพธ์ที่ทำให้วัตถุเกิดการหมุนรอบตัวเองได้
- เงื่อนไขวัตถุแข็งเกร็ง:
- สำหรับวัตถุแข็งเกร็งที่มีขนาด การจะอยู่นิ่งได้อย่างสมบูรณ์จะต้องตรวจสอบทั้ง สมดุลต่อการเลื่อนที่ และ สมดุลต่อการหมุน ควบคู่กันเสมอ
ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?
หาค่าแรงตึงหรือแรงพยุงในจุดต่อที่อยู่นิ่ง
สังเกตจากโจทย์: มีวงแหวน/ปมเชือก/วัตถุแขวนและรู้มุมหรือแรงน้ำหนัก
เลือกวิธีคิด: วาดแรงทุกแรงที่กระทำบนจุดต่อ ระบุมุมเทียบกับแนวระดับหรือแนวดิ่งให้ชัด แล้วตั้งผลรวมองค์ประกอบ x และ y เท่ากับศูนย์
ตรวจแรงเสียดทานหรือแรงลัพธ์ที่หายไป
สังเกตจากโจทย์: วัตถุหยุดนิ่งหรือเคลื่อนด้วยความเร็วคงตัวบนแนวหนึ่ง
เลือกวิธีคิด: ใช้ข้อมูลเรื่องความเร่ง ไม่ใช่ความเร็ว เพื่อสรุปผลรวมแรง; ตรวจขีดจำกัดแรงสัมผัส/แรงเสียดทานหลังแก้สมการ
ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด
ตัวอย่าง 1 · โคมไฟแขวนด้วยเชือกสองเส้น
วงแหวนเบาที่จุดต่อโคมอยู่นิ่ง มีน้ำหนักโคม 100 N เชือกซ้ายทำมุม 30° เหนือแนวระดับ และเชือกขวาทำมุม 60° เหนือแนวระดับ จงหาแรงตึงแต่ละเส้น โดยถือว่ามุมที่ให้วัดจากแนวระดับ
- แบบจำลอง: วงแหวนเป็นจุดต่อมวลน้อยมากและอยู่นิ่งในระนาบ; แรงที่กระทำมีแรงตึง ตามเชือกและน้ำหนัก 100 N ลง
- เลือก +x ไปขวา +y ขึ้น: และ
- สมการ x ให้ ; แทนในแกน y ได้ จึง N และ N โดยประมาณ
คำตอบ: เชือกซ้ายตึง 50 N และเชือกขวาตึงประมาณ 86.6 N; ทั้งคู่เป็นแรงดึงตามแนวเชือก
ตรวจเหตุผล: องค์ประกอบแนวนอนหักล้างกัน และองค์ประกอบขึ้นรวม N พอดีกับน้ำหนัก; แรงตึงขวามากกว่าเพราะเชือกขวาชันกว่าและให้แรงขึ้นมากต่อแรงตึงหนึ่งนิวตัน
ตัวอย่าง 2 · แรงเสียดทานที่ปรับตัวตามแรงดึง
ลังมวล 12 kg อยู่นิ่งบนพื้นราบหยาบ มีแรงดึงแนวระดับ 35 N ไปทางขวา สัมประสิทธิ์เสียดทานสถิต 0.50 และใช้ m/s² จงหาแรงเสียดทานสถิตและตรวจว่าลังยังอยู่นิ่งได้หรือไม่
- กำหนดระบบเป็นลัง แกน x ตามพื้น. แนวดิ่งสมดุลจึง N เพราะไม่มีแรงแนวดิ่งอื่น
- แรงเสียดทานสถิตที่ต้องใช้เพื่อให้ มีขนาด 35 N ชี้ซ้าย ไม่ได้เริ่มจากสมมติว่าเสียดทานเต็มค่าสูงสุด
- ค่าสูงสุดคือ N; เนื่องจาก 35≤58.8 N จึงมีแรงเสียดทานพอให้ลังอยู่นิ่ง
คำตอบ: แรงเสียดทานสถิต 35 N ไปทางซ้าย และลังยังอยู่นิ่งได้
ตรวจเหตุผล: ถ้าแรงดึงเกิน 58.8 N แบบจำลองแรงเสียดทานสถิตนี้จะรักษาสมดุลไม่ได้; ค่า 58.8 N เป็นขอบเขต ไม่ใช่แรงที่เกิดตลอดเวลา