พื้นหลัง
เครื่องจักรแบบเรียบง่ายมีความสำคัญต่อชีวิตประจำวันและสามารถพบเห็นได้ในบ้าน โรงเรียน หรือในสนามเด็กเล่น เครื่องจักรแบบง่ายเป็นเครื่องมือที่เปลี่ยนขนาดและ/หรือทิศทางของแรงเพื่อให้ทำงานได้ง่ายขึ้น ด้วยการใช้เครื่องจักรเรียบง่าย คนธรรมดาสามารถยกก้อนหินขนาดใหญ่ เคลื่อนย้ายบล็อกในระยะไกล และแม้แต่สร้างพีระมิดได้
ในหน่วยนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับแนวคิดทางฟิสิกส์ของแรงและงาน และเครื่องจักรกลง่ายๆ 4 ประเภท ได้แก่ ระนาบเอียง ล้อและเพลา คันโยก และเฟือง นักเรียนจะสามารถตรวจสอบวิธีการใช้แรงเพื่อให้ทำงานง่ายขึ้นได้ด้วยการประกอบเครื่องจักรง่ายๆ 4 ชิ้น ได้แก่ ระนาบเอียง คันโยกปรับสมดุล รถสปริง และนาฬิกา นักเรียนจะได้รับความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับเครื่องมือต่างๆ ที่ใช้กันมาตั้งแต่สมัยโบราณและยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน
เครื่องจักรแบบง่ายคืออะไร?
เครื่องจักรง่าย ๆ คือเครื่องมือที่เปลี่ยนขนาดและทิศทางของแรงในการเคลื่อนย้ายวัตถุ เครื่องจักรแบบง่ายคืออุปกรณ์ที่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวน้อยหรือไม่มีเลย ซึ่งทำให้ง่ายต่อการทำงาน เครื่องจักรแบบง่ายมีอยู่มาเป็นพันปีแล้วและยังคงมีประโยชน์อยู่ ในหน่วยนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับเครื่องจักรแบบง่าย 4 ประเภท ได้แก่ ระนาบเอียง, ล้อและเพลา, คันโยกและ เกียร์
| ระนาบเอียง | คันโยก | ล้อ & เพลา | เกียร์ |
|---|---|---|---|
| ระนาบเอียงคือพื้นผิวเอียงที่ใช้ในการยกหรือลดวัตถุ | แท่งเคลื่อนที่ที่ติดอยู่หรือวางอยู่บนจุดหมุนที่เรียกว่าจุดหมุน | ทำให้เคลื่อนย้ายสิ่งของได้สะดวกด้วยการกลิ้งซึ่งจะช่วยลดแรงเสียดทาน | ล้อที่มีฟันอยู่รอบขอบ ใช้ในการถ่ายโอน เพิ่มหรือลดแรง |
 |
 |
 |
 |
ฟอร์ซคืออะไร?
แรงคือการผลักหรือดึงวัตถุ เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ และแรงนั้นไม่มีทิศต้านด้วย ความเร็วหรือทิศทางของวัตถุก็จะเปลี่ยนไป การใช้แรงเพื่อเคลื่อนย้ายสิ่งของรอบตัวเรา ในหน่วยนี้เราจะได้ทำงานกับแรงหลายรูปแบบ รวมถึงแรงที่กระทำ แรงสมดุล และแรงที่ไม่สมดุล
แรงที่ใช้
แรงที่กระทำ หมายถึง แรงที่กระทำต่อวัตถุ หากคุณผลักเก้าอี้ของคุณไปทั่วห้อง คุณจะใช้แรงผลักเก้าอี้ไปด้วย
มีแรงที่สมดุลและแรงที่ไม่สมดุล แรงที่มีทิศทางเท่ากันแต่ตรงกันข้ามเรียกว่าแรงที่สมดุล แรงที่สมดุลจะไม่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่
แรงสมดุลและแรงไม่สมดุล
แรงที่มีทิศทางเท่ากันแต่ตรงกันข้ามเรียกว่าแรงที่สมดุล แรงที่สมดุลจะไม่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ ตัวอย่างของแรงที่สมดุลคือกลุ่มคนสองกลุ่มที่กำลังเล่นดึงเชือกด้วยแรงเท่ากัน การกระทำดังกล่าวจะทำให้เชือกอยู่กับที่ เนื่องจากแรงที่กระทำต่อทั้งสองด้านนั้นเท่ากัน
อย่างไรก็ตามแรงที่ไม่สมดุลจะทำให้วัตถุหรือหลายๆ ชิ้นเคลื่อนที่ สมมุติว่าทีมหนึ่งในการดึงเชือกของเราดึงแรงกว่าอีกทีม กองกำลังก็จะไม่เท่ากันอีกต่อไป ทีมหนึ่งจะสามารถดึงทีมอีกทีมไปในทิศทางของกองกำลังที่ใหญ่กว่าได้
แรงที่ไม่สมดุลจะทำให้การเคลื่อนที่ของวัตถุที่แรงนั้นกระทำเปลี่ยนแปลงไป เครื่องจักรกลง่าย ๆ เช่น เครื่องจักรกลเอียง ใช้แรงที่ไม่สมดุลเพื่อให้ทำงานสะดวกขึ้น ตัวอย่างเช่น วัตถุต่างๆ มักจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นตามระนาบเอียง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงไม่สมดุล
แรงโน้มถ่วง
แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่โลก ดวงจันทร์ หรือวัตถุขนาดใหญ่มหึมาอื่นๆ ดึงดูดวัตถุอื่นเข้าหาตัวมันเอง ตามคำจำกัดความ นี่คือน้ำหนักของวัตถุ วัตถุทุกชนิดบนโลกจะได้รับแรงดึงดูดที่มุ่งลงสู่ศูนย์กลางของโลก
งานคืออะไร?
ในทางวิทยาศาสตร์ การทำงาน คือการใช้แรงเพื่อเคลื่อนย้ายวัตถุจากจุดเริ่มต้นที่แน่นอน เครื่องจักรแบบง่ายช่วยให้การทำงาน (การเคลื่อนย้ายวัตถุ) ง่ายขึ้น
นิยามทางวิทยาศาสตร์ของงานคือ ปริมาณแรงที่กระทำต่อวัตถุคูณด้วยระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ ดังนั้น งานจึงประกอบด้วยแรงและระยะทาง งานแต่ละงานจะใช้เวลาทำงานในปริมาณที่กำหนดเพื่อให้เสร็จสิ้น และจำนวนนี้จะไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้น แรงคูณระยะทางจะเท่ากับปริมาณงานเท่ากันเสมอ ซึ่งหมายความว่าหากคุณเคลื่อนย้ายบางสิ่งในระยะทางที่สั้นลง คุณจะต้องออกแรงมากขึ้น ในทางกลับกัน หากคุณต้องการออกแรงน้อยลง คุณจำเป็นต้องเคลื่อนย้ายมันไปในระยะทางที่มากขึ้น นี่คือการแลกเปลี่ยนระหว่างแรงและระยะทาง
Mechanical Advantage คืออะไร?
ข้อได้เปรียบเชิงกล คือ เมื่อคุณต้องการแรงน้อยลงในการทำงานปริมาณเท่าเดิม เนื่องจากมีการใช้เครื่องจักรง่ายๆ เพื่อเพิ่มและเปลี่ยนทิศทางของแรงที่กระทำ ข้อได้เปรียบเชิงกลสามารถปรับให้ตรงตามความต้องการเฉพาะได้ ข้อได้เปรียบเชิงกลมี 2 ประเภทคือ ความเร็วและแรงบิด
แรงบิดคืออะไร?
แรงบิด คือข้อได้เปรียบเชิงกลที่ทำให้กำลังขับของเกียร์หรือเครื่องจักรที่ขับเคลื่อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น แรงบิดจะเกิดขึ้นหากมีการใช้แรงเพื่อเริ่มหรือหยุดวัตถุไม่ให้หมุน เช่น การหมุนเฟือง และการหมุนคันโยกบางส่วน ชมภาพเคลื่อนไหวด้านล่างเพื่อดูเฟืองเล็กที่ขับเคลื่อนเฟืองใหญ่เพื่อให้มีแรงบิดที่มากขึ้น
ความเร็วคืออะไร?
ความเร็ว คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ในระยะเวลาหนึ่งและเป็นข้อได้เปรียบเชิงกลที่ทำให้กำลังขับเคลื่อนของเกียร์หรือเครื่องจักรเร็วขึ้น เมื่อพูดถึงเกียร์ ความเร็วจะสัมพันธ์แบบผกผันกับแรงบิด หากต้องการความเร็วเอาต์พุต จะต้องลดแรงบิด สิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน ถ้าต้องการแรงบิดหรือกำลังเพิ่มมากขึ้นเป็นเอาต์พุต ความเร็วจะลดลง ชมภาพเคลื่อนไหวด้านล่างเพื่อดูเฟืองขนาดใหญ่ที่ขับเคลื่อนเฟืองขนาดเล็กเพื่อให้ทำงานด้วยความเร็วที่มากขึ้น