การแก้ปัญหาสมดุลของวัตถุ เมื่อมีโมเมนต์เข้ามาเกี่ยวข้อง
By Mr.Worathep Ghetthalea 8 พฤษภาคม 2552
จากครั้งก่อนเราได้พิจารณาสมดุลเมื่อแรงทุก แรงผ่านจุดหมุนไปแล้ว ทำให้เราใช้เพียงสมการ สมดุลของแรงตามแนว แกน x, y (2 มิติเท่านั้นหากแรงไม่ผ่านจุดหมุน จะทำให้วัตถุ หมุน เราจึงต้องนำเรื่อง Moment เข้ามาเกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหา เรื่องสมดุลด้วย โดยมีสมการเข้ามาเกี่ยวข้องดังนี้ เพื่อให้เข้าใจความ หมายของคำว่าสมดุล และการใช้งานสมการข้องต้นขอให้ พิจารณารูปการเล่นไม้กระตกข้างล่างนี้ โดยมี z เป็นจุดหมุนของระบบจากนั้น เราจะมาสรุปแนวทางการแก้ปัญหาลักษณะแบบนี้ ต่อไป
Source:Physics for Science and Engineer
กำหนดให้ คุณพ่อมีมวล mf,ลูกสาว มีมวล md,ไม้กระดกมีมวล M,แรง n ตรงตำแหน่งจุดหมุน z จะมีค่าเท่าใด หาได้โดยอาศัยสมการสมดุลของแรง ในแนวแกน y ต้องเป็นศูนย์ กำหนดให้แรงที่มีทิศขึ้นเป็นบวก จะหาแรง n ได้ดังนี้
จากค่า n ที่ได้ ย้ำอีกครั้งว่าเราใช้แนวคิดเรื่อง สมดุลของแรงตามแนวแกน y ต้องเป็นศูนย์ หากถามว่าทำไมต้องเป็นศูนย์ด้วย เป็นค่าอื่นได้ไหม ตอบว่าไม่ได้ หากเป็นค่าอื่นๆ นอกจากศูนย์ก็ไม่สามารถเรียกได้ว่า สมดุล แต่จะไปเกี่ยวข้องกับเรื่องการเคลื่อนที่ของวัตถุ (วัตถุในขณะนี้คือ ไม้กระดก,คุณพ่อและลูกสาว)เมื่อมีการเคลื่อนที่เนื่องจากแรงมากระทำ(ในทิศ ทางขึ้นหรือไม่ก็ลง ตามแกน y ) วัตถุจะเคลื่อนที่แบบมีความเร่ง สมการ F=ma ก็จะเข้ามาเกี่ยวข้อง ในที่นี้ F หาได้จากผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำกับระบบ
ถึง แม้ว่าระบบข้างต้นจะสมดุล ตามแนวแกน x (ไม่มีแรงกระทำตามแนวแกน x )และสมดุลตามแนวแกน y (ระบบไม่มีการเคลื่อนที่ในแนวแกน y )แต่เนื่องจาก มีแรงของระบบ คือ mf และ md ซึ่งแนวของแรงไม่ผ่านจุดหมุนทำให้เราต้องพิจารณา ผลรวมของ moment รอบแกน z เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย
พิจารณาสมดุล ต่อการหมุนของระบบ ตามแนวแกน z โดยกำหนดให้ การหมุนทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก จะได้ความสัมพันธ์ ของ ระยะทาง A และ B ได้ดังนี้
เนื่องจากน้ำหนัก ของ ไม้กระดก และแรง n ผ่านจุดหมุน ทำให้ moment ที่เกิดจากแรงทั้งสองนี้เป็นศูนย์ จึงไม่นำมาพิจารณา จากรูปข้างต้น จะเกิดสมดุลต่อการหมุน เมื่อระยะ A และ B มีความสัมพันธ์กันตามผลที่ได้ข้างต้น
เรา เรียกระบบว่าอยู่ในสภาวะสมดุลเมื่อเป็นไปตาม เงื่อนไขดังนี้
1.สมดุลต่อการเลื่อนตำแหน่ง ซึ่งต้องมีเงื่อนไขคือ