การเคลื่อนที่แบบวงกลม

จากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันที่ว่าเมื่อมีแรงภายนอกกระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่โดยมีความเร่งหรือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ถ้าแรงภายนอกกระทำต่อวัตถุในทิศเดียวกับการเคลื่อนที่ จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง โดยมีการเปลี่ยนแปลงขนาดของความเร็ว แต่ไม่เปลี่ยนทิศทางของความเร็ว ถ้ามีแรงภายนอกที่คงที่มากระทำต่อวัตถุ ในทิศที่ตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุตลอดเวลา จะทำให้แนวการเคลื่อนที่หรือทิศของความเร็วเปลี่ยนแปลง คือ แนวการเคลื่อนที่ของวัตถุจะเป็นงกลม
ดังนั้นการเคลื่อนที่ในแนววงกลมจึงหมายถึง การเคลื่อนที่ ที่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วตลอดเวลา ถึงแม้อัตราเร็วจะคงที่ แต่เวกเตอร์ของความเร็วเปลี่ยนแปลง

การเคลื่อนที่บนทางโค้ง
ขณะรถเลี้ยวโค้ง บนถนนโค้งราบ ซึ่งมีแนวทางการเคลื่อนที่ เป็นส่วนโค้งของวงกลมดังรูป ดังนั้นต้องมีแรงสู่ศูนย์กลางกระทำต่อวัตถุ เมื่อพิจารณาแรงกระทำต่อรถในแนวระดับพบว่าขณะรถเลี้ยว พยายามไถลออกจากโค้ง จึงมีแรงเสียดทาน ที่พื้นกระทำต่อล้อรถในทิศทาง พุ่งเข้าในแนวผ่านศูนย์กลางความโค้งดังนั้น แรงเสียดทาน = แรงสู่ศูนย์กลาง
การหามุมเอียงของรถจักรยานยนต์ขณะเลี้ยว
ขณะเลี้ยวรถแรงกระทำต่อรถมี mg, N และ f ซึ่งแรง N และ f รวมกันได้ เป็นแรงลัพธ์ R C.M. ก่อให้เกิดโมเมนต์ ทำให้รถคว่ำขณะเลี้ยวดังรูป ถ้าไม่ต้องการให้รถคว่ำต้องเอียงรถให้จุดศูนย์กลางของมวลผ่านแนวแรง R ขณะเลี้ยว รถจึงเลี้ยวได้โดยปลอดภัยไม่พลิกคว่ำ
รถวิ่งบนทางโค้งเอียงลื่น
จากการเลี้ยวรถบนถนนทางโค้งราบพบว่า รถจะเลี้ยวได้เร็วหรือช้า อย่างปลอดภัย ขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์ ของความเสียดทานระหว่างพื้นกับล้อ ถ้ามีมากรถเลี้ยวได้ด้วยอัตราเร็วสูง แต่ถ้ามีน้อย รถเลี้ยวด้วยอัตราเร็วต่ำและถ้าสัมประสิทธิ์ ของความเสียดทานระหว่าง พื้นเอียงกับล้อเป็นศูนย์ รถไม่สามารถเลี้ยวโค้งได้เลย ดังนั้นจึงมีการแก้ไขโดยการเอียงพื้นถนน เพื่ออาศัยแรงปฏิกิริยาที่พื้นกระทำต่อรถเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง โดยไม่อาศัยแรงเสียดทาน
ความเร่งสู่ศูนย์กลาง
*สิ่งที่ควรรู้
ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบวงกลมด้วยอัตราเร็วคงที่1.คาบ (Period) "T" คือ เวลาที่วัตถุเคลื่อน

ที่ครบ 1 รอบ หน่วยเป็นวินาที่/รอบ หรือวินาที2.ความถี่ (Frequency) "f" คือ จำนวนรอบที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ภายในเวลา 1 วินาที หน่วยเป็นรอบ/วินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz)
อัตราเร็วเชิงมุม (Angular speed)
อัตราเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบวงกลมที่กล่าวมาแล้วนั้นคือความยาวของเส้นโค้งที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในเวลา 1 วินาที ซึ่งเราอาจเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า อัตราเร็วเชิงเส้น (v) แต่ในที่นี้ยังมีอัตราเร็วอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งเป็นการบอกอัตราการเปลี่ยนแปลงของมุมที่จุดศูนย์กลาง เนื่องจากการกวาดไปของรัศมี ใน 1 วินาที เรียกว่า อัตราเร็วเชิงมุม (w) อ่านว่า โอเมก้านิยามอัตราเชิงมุม (w) คือ มุมที่รัศมีกวาดไปได้ใน 1 วินาทีมีหน่วยเป็น เรเดียน/วินาที

ตัวอย่างที่1
มวล 1 kg ผูกด้วยเชือกยาว 1 m นำปลายเชือกอีกปลายหนึ่งไปผูกติดกับตะปูจับ มวล 1 kgโดยให้เชือกทำมุม 53ํ กับแนวดิ่งแล้วปล่อยให้มวล 1 kg เคลื่อนที่ เมื่อเชือกทำมุม 37ํ กับแนวดิ่ง เชือกมีแรงตึงเชือกเท่าใด
1. 2 N 2. 4 N 3. 6 N 4. 12 N
เฉลย
แรงตึงเชือกเท่ากับ 12 นิวตัน

เอกสารอ้างอิง

http://www.skr.ac.th/e_learning_mix/o_motion/o_motion.html.th/e_learning_mix/o_motion/o_motion.html

http://www.skr.ac.th/e_learning_mix/o_motion/file/page7.htm

http://www.skr.ac.th/e_learning_mix/o_motion/file/page4.html

http://www.skr.ac.th/e_learning_mix/o_motion/file/p7_1.gif