🔄

การทดลองแรงสู่ศูนย์กลาง (Centripetal Force)

Experiment 17 — ความสัมพันธ์ระหว่างแรงสู่ศูนย์กลาง ความเร็ว รัศมี และมวล

KP Science simulation
① แปรผันแรงสู่ศูนย์กลาง เปลี่ยนมวลแขวน M — คงรัศมี r และมวลจุก m
② แปรผันรัศมี เปลี่ยนรัศมี r — คงแรง F และมวลจุก m
③ แปรผันมวลจุกยาง เปลี่ยนมวลจุก m — คงแรง F และรัศมี r
โหมด:
ฝึกใช้นาฬิกาจับเวลาและนับรอบด้วยตนเอง

🔭 มุมมองจากด้านบน (Top view)

เวลาแอนิเมชัน
0.00 s
รอบ (auto)
0
ω (rad/s)
0.00
ระยะ 1 รอบ
0.00 m
⚡ ความเร็ว 1.0×

⚙️ ตั้งค่าการทดลอง

⏱ นาฬิกาจับเวลา + ตัวนับรอบอัตโนมัติ
เวลา (s)
00.00
รอบที่นับได้
0
N รอบเป้าหมาย รอบ

📋 ตารางข้อมูล

📈 กราฟ

🎯 แรงสู่ศูนย์กลางคืออะไร?

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลม ทิศการเคลื่อนที่ของมันเปลี่ยนไปตลอดเวลา แม้อัตราเร็ว (speed) จะคงที่ ก็ยังถือว่ามีความเร่ง เพราะ "ความเร็ว" เป็นเวกเตอร์ ความเร่งนี้ชี้เข้าหาศูนย์กลางวงกลมเสมอ เรียกว่า ความเร่งสู่ศูนย์กลาง (centripetal acceleration) และแรงที่ทำให้เกิดความเร่งนี้เรียกว่า แรงสู่ศูนย์กลาง (centripetal force)

O m r F v
แรง F ชี้เข้าหาศูนย์กลาง ตั้งฉากกับความเร็ว v เสมอ
หลอดแก้ว m (จุกยาง) M Mg T
มวลแขวน M อยู่นิ่ง → T = Mg แรงนี้ส่งผ่านเชือกไปเป็นแรงสู่ศูนย์กลางของจุก

🧮 ที่มาของสูตร

สำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยอัตราเร็ว v คงที่ ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางคือ a = v² / r ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน (F = ma) จึงได้

F = m·a = m v² / r

ในการทดลองนี้ มวลแขวน M ที่อยู่นิ่งอยู่ใต้หลอดแก้ว ดึงเชือกด้วยแรง T = Mg แรงนี้ถูกส่งผ่านเชือกขึ้นไปเป็นแรงสู่ศูนย์กลางที่ดึงจุกยางเข้าหาศูนย์กลาง:

Fc = M·g  ⟹  M·g = m v² / r  ⟹  v = √(M g r / m)

📊 ความสัมพันธ์ 3 แบบที่จะทดลอง

① F กับ v
F ∝ v²
v F

เมื่อเพิ่มแรง F (โดยเพิ่มมวลแขวน) ความเร็ว v เพิ่มขึ้น แต่ไม่เป็นเส้นตรง เพราะ F ∝ v² กราฟ F-v เป็นพาราโบลา

② v กับ r
v ∝ √r
r v

เมื่อเพิ่มรัศมี r (คง F และ m) ความเร็ว v จะเพิ่มแต่ช้าลง เพราะ v เพิ่มตาม √r

③ v กับ m
v ∝ 1/√m
m v

เมื่อเพิ่มมวลจุก m (คง F และ r) ความเร็ว v จะลดลง ตามสัดส่วน 1/√m

📖 ค่าอ้างอิงจากเอกสาร Experiment 17

① แปรผันแรง (r = 0.50 m, m = 0.031 kg, 20 รอบ)

M = 0.100 → F = 0.98 N, t ≈ 15.8 s, v ≈ 4.0 m/s
M = 0.200 → F = 2.0 N,  t ≈ 11.0 s, v ≈ 5.7 m/s
M = 0.300 → F = 2.9 N,  t ≈ 9.2 s,  v ≈ 6.8 m/s
M = 0.400 → F = 3.9 N,  t ≈ 7.9 s,  v ≈ 7.9 m/s

② แปรผันรัศมี (m = 0.016 kg, F = 0.98 N, 10 รอบ)

r = 0.60 → v ≈ 6.2 m/s, t ≈ 6.1 s
r = 0.70 → v ≈ 6.6 m/s, t ≈ 6.7 s
r = 0.80 → v ≈ 6.9 m/s, t ≈ 7.2 s
r = 0.90 → v ≈ 7.5 m/s, t ≈ 7.6 s

③ แปรผันมวลจุก (r = 1.00 m, F = 2.0 N, 10 รอบ)

m = 0.022 → v ≈ 9.4 m/s, t ≈ 6.7 s
m = 0.028 → v ≈ 8.5 m/s, t ≈ 7.4 s
m = 0.036 → v ≈ 7.4 m/s, t ≈ 8.5 s

🔑 KP Science — สมาชิก

หรือ
ยังไม่มีบัญชี?
หรือสมัครด้วยอีเมล
มีบัญชีแล้ว?