💿

Lab 66 — วัตถุบนแผ่นหมุน: แรงเสียดทานเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง (3D)

Coin on a Turntable — วางเหรียญ ยางลบ ก้อนไม้ หรือวัตถุปริศนาบนแผ่นหมุนที่มีไม้บรรทัด · เพิ่มความเร็วรอบช้า ๆ จนวัตถุเริ่มไถล · μₛ = ω²r/g · กราฟ ω² กับ 1/r · วัตถุที่อยู่ไกลแกนไถลก่อน

3D · three.js KP Science simulation
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ — ต้องเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต
ยังทดลองได้จากภาพ 2 มิติด้านล่าง
📐 ภาพมองจากด้านบน (หมุนตามแผ่น) · มาตรวัดรอบ · สถานะวัตถุ
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผลและวัตถุปริศนาไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
🧰 วางวัตถุบนแผ่นหมุน
ระยะจากแกน r8.0 cm
แผ่นหมุนรัศมี 15 cm ปูผ้าสักหลาด มีไม้บรรทัดตามแนวรัศมี · วางได้สูงสุด 4 ชิ้น (วางเมื่อแผ่นหยุด) · ผิวแผ่นไม่เรียบสม่ำเสมอ μ ต่างกันเล็กน้อยแต่ละตำแหน่ง
⚙️ มอเตอร์แผ่นหมุน
มาตรวัดรอบ (tachometer)0.0 รอบ/นาที
ความเร็วรอบที่ตั้ง0 rpm
มอเตอร์เปลี่ยนรอบได้ไม่เกิน 30 rpm/s · ถ้าเร่งเร็วมาก ต้องใช้แรงเสียดทานในแนวสัมผัสด้วย วัตถุจะไถลเร็วกว่าที่ควร
📝 จดค่า
📋 ตาราง
📈 กราฟ ω² ที่เริ่มไถล กับ 1/r

วัตถุประสงค์

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

การใช้งาน Simulation

ขั้นตอน

  1. วางเหรียญที่ r = 4, 6, 8, 10, 12 cm (ทีละชิ้น) หาความเร็วรอบที่เริ่มไถล ชิ้นละ 2–3 ครั้ง
  2. คำนวณ ω = 2π × rpm/60 และ μₛ = ω²r/g · เขียนกราฟ ω² กับ 1/r ความชัน = μₛg
  3. ทำซ้ำกับยางลบ ก้อนไม้ และวัตถุปริศนา เปรียบเทียบค่า μₛ
  4. วาง 3 ชิ้นที่ 4, 8, 12 cm พร้อมกัน สังเกตว่าชิ้นใดไถลก่อน

วิธีคำนวณ (ตารางคำนวณให้อัตโนมัติ)

ω = 2π · (rpm / 60) a_c = ω²r
ไม่ไถล: f_s = mω²r ≤ μₛmg → เริ่มไถลเมื่อ ω² = μₛg / r
μₛ = ω²r / g กราฟ ω² กับ 1/r → ความชัน = μₛg

คำถามท้ายการทดลอง

  1. ความเร็วรอบที่วัตถุเริ่มไถลขึ้นกับมวลของวัตถุหรือไม่ ทำไม
  2. ถ้าย้ายวัตถุออกไปไกลแกนเป็น 4 เท่า ความเร็วรอบที่เริ่มไถลเปลี่ยนเป็นกี่เท่า
  3. เมื่อวัตถุเริ่มไถล มันเคลื่อนที่ออกในแนวรัศมีหรือแนวสัมผัส (มองจากนอกแผ่นหมุน)
  4. ถ้าเปิดมอเตอร์กระชากทันที วัตถุไถลที่ความเร็วรอบต่ำกว่าเดิมเพราะอะไร
  5. เชื่อมโยงกับรถเลี้ยวบนถนนราบ: μₛ = v²/(Rg) มีรูปแบบเดียวกันอย่างไร

1. แรงเสียดทานสถิตเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง

ω_ไถล = √(μₛg / r) rpm_ไถล = (60/2π) √(μₛg / r)

2. ไถลแล้วเคลื่อนที่อย่างไร

เมื่อแรงเสียดทานไม่พอ วัตถุไม่ได้ "ถูกเหวี่ยงออกตามแนวรัศมี" แต่พยายามเคลื่อนที่ต่อไปตามแนวความเร็ว (แนวสัมผัส) ขณะที่แผ่นยังหมุนอยู่ใต้วัตถุ · แรงเสียดทานจลน์ยังดึงวัตถุไปทางที่แผ่นเคลื่อน วัตถุจึงไถลเป็นเส้นโค้งออกห่างแกน · เมื่อมองจากผู้ที่หมุนไปกับแผ่นจะเห็นวัตถุไหลออกด้านนอกและเยื้องไปด้านหลัง

💡 แบบจำลองใน simulation: คำนวณการเคลื่อนที่ 2 มิติของวัตถุบนแผ่นในกรอบอ้างอิงเฉื่อย · ยึดเกาะเมื่อแรงที่ต้องใช้ ≤ μₛmg · ไถลใช้ μₖ = 0.8μₛ ต้านความเร็วสัมพัทธ์กับผิวแผ่น · μₛ เหรียญบนผ้าสักหลาด ≈ 0.32 · ยางลบ ≈ 0.78 · ก้อนไม้ ≈ 0.50 · วัตถุปริศนาสุ่ม 0.20–0.90 · แต่ละตำแหน่งที่วางมีค่า μ ต่างกันแบบสุ่ม ±4% · ไม่คิดแรงต้านอากาศ