แรงต้านอากาศ (air resistance)
ตัวแปรของการเคลื่อนที่ที่คำนวณยากมาก
ตอนที่เราเริ่มต้นเรียนฟิสิกส์เรื่องการเคลื่อนที่แบบต่างๆ การคำนวณทั้งหลายจะตัดผลของแรงต้านอากาศทิ้งไป ทั้งที่ในความเป็นจริง แรงต้านอากาศส่งผลต่อการเคลื่อนที่อย่างแน่นอน
เหตุผลที่ตอนเริ่มต้นเรียนฟิสิกส์เราตัดทิ้งไปก่อน เพราะในหลายๆกรณี แรงต้านอากาศส่งผลต่อการเคลื่อนที่น้อยจนตัดทิ้งไปก็ไม่ส่งผลต่อคำตอบที่ได้นัก เช่น ถ้าเราปล่อยก้อนหินให้ตกจากที่สูง (ไม่ได้ปล่อยขนนก) หรือ พิจารณาการยิงปืนใหญ่ในระยะทางไม่ไกลนัก (ไม่ได้ยิงขีปณาวุธที่ระยะทางไกลมากๆ) ที่สำคัญคือ การคำนวณโดยคำนึงถึงแรงต้านอากาศมักจะซับซ้อนมาก ทำให้ผู้เริ่มต้นเรียนฟิสิกส์เหวอได้ (มากกว่านี้) ถ้าไม่ตัดทิ้ง
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ในอากาศ จะเกิดแรงต้านจากอากาศขึ้นในทิศตรงข้ามกับความเร็ววัตถุนั้น แรงต้านอากาศจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง ตั้งแต่ รูปร่างของวัตถุ ความหนาแน่นของอากาศ และความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ แต่โดยทั่วไป เรามักสนใจกรณีที่วัตถุไม่เปลี่ยนแปลงรูปร่างและความหนาแน่นของอากาศไม่เปลี่ยนมากนัก ดังนั้นตัวแปรที่จะเปลี่ยนแปลงจึงเหลือเพียงความเร็ว กล่าวแบบกว้างๆได้ว่ายิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็ว แรงต้านอากาศก็ยิ่งมากตามไปด้วย
คุณสมบัตินี้นับว่าน่าสนใจ เราลองมาพิจารณาการตกของวัตถุในแนวดิ่งภายใต้แรงต้านอากาศกัน
แรงต้านอากาศขึ้นกับรูปทรงของวัตถุ
แรงโน้มถ่วงที่ดึงดูดวัตถุให้ตกลงมานั้นคงที่ ไม่ได้เพิ่ม ไม่ได้ลด แต่วัตถุจะมีความเร็วในการตกสูงขึ้นเรื่อยๆ ขณะเดียวกันแรงต้านอากาศก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ (เพราะยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็ว แรงต้านอากาศก็ยิ่งมาก) จนในที่สุดแรงต้านอากาศจะเพิ่มขึ้นจนเท่ากับแรงโน้มถ่วงพอดี ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ค่าหนึ่งเรียกว่า Terminal velocity
ดังนั้นวัตถุที่ตกลงมาภายใต้แรงโน้มถ่วงจะไม่ได้มีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆอย่างไร้ที่สิ้นสุด แต่แรงต้านอากาศจะทำให้ความเร็วไปหยุดอยู่ที่ค่าดังกล่าว จะเห็นได้ว่าแรงต้านอากาศนั้นส่งผลให้การวิเคราะห์ซับซ้อนขึ้น ซึ่งมันแตกต่างจากแรงเสียดทาน(friction)ที่โดยมากจะคงที่โดยไม่ขึ้นกับความเร็วของวัตถุ
ในการวิเคราะห์ให้ละเอียดขึ้น แรงต้านอากาศมักจะขึ้นกับความเร็วได้ 2 รูปแบบ นั่นคือ แบบเชิงเส้น (linear drag) และแบบกำลังสอง (quadratic drag) โดยทั้งสองอย่างนี้มีต้นกำเนิดที่แตกต่างกัน
แรงต้านอากาศแบบเชิงเส้น (linear drag) นั้นเป็นผลมาจากความหนืดของตัวกลางอย่างอากาศ จึงขึ้นอยู่กับความหนืดของอากาศและรูปทรงของวัตถุ ส่วนแรงต้านอากาศแบบกำลังสอง (quadratic drag) เป็นผลมาจากวัตถุที่เคลื่อนที่กระแทกเข้ากับมวลอากาศอย่างต่อเนื่องจนเกิดแรงต้านจากอากาศ จึงขึ้นกับความหนาแน่นของอากาศ และพื้นที่ปะทะ
ปัญหาโดยทั่วไปนั้นมักทำการประมาณจนสถานการณ์ที่สนใจอยู่ในรูปเชิงเส้นหรือกำลังสอง อย่างใดอย่างหนึ่ง (แต่ก็มีเหมือนกันที่ทั้งสองอย่างมีผลจนไม่สามารถตัดทิ้งได้ ซึ่งวิเคราะห์ยากมาก สลบเถอะ)
การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน
ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่ของลูกเบสบอลที่ถูกหวดจนลอยออกไปด้วยความเร็วสูงนั้น แรงต้านอากาศจะขึ้นกับความเร็วแบบกำลังสองเท่านั้น ส่วนหยดน้ำมันเล็กจิ๋วจนเกือบจะมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าในการทดลองวัดประจุอิเล็กตรอนของมิลิแกนแรงต้านอากาศจะขึ้นกับความเร็วแบบเชิงเส้น แต่หยดฝนที่ตกลงมานั้น ถ้าเราไม่ทำการประมาณว่าความเร็วหยดฝนมากหรือน้อยแค่ไหน แรงต้านอากาศจะขึ้นกับทั้งสองส่วนเลย
ทั้งหมดที่กล่าวมานี้เป็นภาพรวมกว้างๆเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงต้านอากาศ ซึ่งจริงๆแล้วการศึกษาเรื่องนี้สามารถนำไปปรับใช้กับการศึกษาเรื่องความหนืดของของเหลวได้ด้วย
ปล. สมัยมัธยมปลาย เราเคยเรียนกันมาว่าการขว้างวัตถุที่มุม 45องศา จะทำให้วัตถุตกออกไกลที่สุดบนพื้นราบ แต่นั่นเป็นการคำนวณแบบไร้แรงต้านอากาศ ถ้าคำนึงถึงแรงต้านอากาศด้วย มุมที่ใช้ในการขว้างให้ไกลที่สุดจะไม่ใช่ 45 องศา
- 13
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
