ของแข็งและของไหล เนื้อหาที่ต้องรู้ไว้เพื่อสอบ A-Level

“ของแข็งและของไหล” เป็นหัวข้อหนึ่งจากเรื่องสารอุณหพลศาสตร์ และสมบัติเชิงกลของสาร ที่จากสถิติพบว่า ทุกปีจะอยู่ในข้อสอบ A-Level วิชาฟิสิกส์ประมาณ 3-5 ข้อ ดังนั้น น้อง ๆ คนไหนอยากทำคะแนนให้ดีก็ไม่ควรมองข้าม และที่สำคัญหัวข้อของแข็งและของไหลในวิชาฟิสิกส์ก็ไม่ยากเกินไป เพียงแค่น้อง ๆ เข้าใจคอนเซปต์ของภาพรวม ก็สามารถนำไปคิดต่อยอดหาคำตอบที่ถูกต้องได้ในข้อสอบ วันนี้จึงจะมาย่อยข้อมูลในหัวข้อของแข็งและของไหลให้เข้าใจมากยิ่งขึ้น พร้อมสรุปให้เข้าใจในภาพรวม พร้อมต่อยอดในการหาคอร์สกวดวิชาฟิสิกส์ได้เลย

 Table of Contents: 

• รอบรู้เรื่องของแข็ง
• นิยามเรื่องของแข็ง
• มอดูลัสของยัง (Young's Modulus)
• ความเค้น (Stress) 
• ความเครียด (Strain)
• รอบรู้เรื่องของไหล
• สิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับของไหล
• ความดันในของไหล (Pressure) 
• ความหนืด (Viscosity) 
• อัตราการไหล (Flow Rate)
• สมการแบร์นูลลี (Bernoulli's Equation)
• ความตึงผิว (Surface Tension)
• แรงลอยตัว (Buoyancy)

• กฎและหลักการที่เกี่ยวข้องกับของแข็งและของไหล
• ความดันไฮโดรสแตติก 
• กฎของพาสคัล 
• กฎของอาร์คีมีดีส
• กฎของฮุก (Hooke's Law)

• ตัวอย่างข้อสอบเรื่องของแข็งและของไหลสำหรับน้อง ๆ ม.6 เพื่อการเตรียมตัวสอบ A-Level

รอบรู้เรื่องของแข็ง

มาเริ่มต้นเรื่องของแข็งและของไหลในวิชาฟิสิกส์ม.6 กันที่นิยามของของแข็ง โดยของแข็งคือสถานะหนึ่งของสสารที่มีรูปร่างและปริมาตรที่คงที่ โดยอะตอมในของแข็งจะถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบ ยึดติดกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางเคมีที่แข็งแกร่ง ทำให้ของแข็งมีโครงสร้างที่แข็งแรงและไม่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ง่าย

สิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับของของแข็ง

มอดูลัสของยัง (Young's Modulus)

มอดูลัสของยัง (Young's Modulus) เป็นค่าที่บอกถึงความแข็งของวัสดุ โดยแสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น (Stress) กับความเครียด (Strain) ในกรณีที่วัสดุมีการยืดหดตามแนวยาว ยิ่งค่ามอดูลัสของยังสูงแสดงว่าวัสดุแข็งมาก ตัวอย่างเช่น เหล็กมีค่ามอดูลัสของยังสูงกว่าไม้ ซึ่งหมายความว่าเหล็กมีความแข็งมากกว่า

สูตร: E = σ/ε (σ = ความเค้น, ε = ความเครียด)

หน่วย: นิวตันต่อตารางเมตร (N/m²) หรือปาสคาล (Pa)

ความเค้น (Stress)

ความเค้น (Stress) เป็นแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ของวัสดุ มีหน่วยเป็นนิวตันต่อตารางเมตร (Pa) ความเค้นสามารถแบ่งออกเป็นหลายประเภท เช่น

1. ความเค้นดึง (Tensile Stress): เกิดจากแรงที่ดึงวัสดุออกจากกัน
2. ความเค้นอัด (Compressive Stress): เกิดจากแรงที่กดวัสดุเข้าหากัน
3. ความเค้นเฉือน (Shear Stress): เกิดจากแรงที่กระทำในแนวขนานกับพื้นที่หน้าตัดของวัสดุ

สูตร: σ = F/A (F = แรง, A = พื้นที่หน้าตัด)

หน่วย: นิวตันต่อตารางเมตร (N/m²) หรือปาสคาล (Pa)

ความเครียด (Strain)

ความเครียด (Strain) คือเป็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือขนาดของวัสดุเมื่อถูกแรงกระทำ โดยไม่คำนึงถึงขนาดของวัสดุ มีหน่วยเป็นมิติไร้หน่วย (dimensionless) ความเครียดสามารถแบ่งออกเป็นหลายประเภท เช่น

• ความเครียดดึง (Tensile Strain): การยืดออกของวัสดุ
• ความเครียดอัด (Compressive Strain): การหดตัวของวัสดุ
• ความเครียดเฉือน (Shear Strain): การเปลี่ยนแปลงรูปร่างในแนวขนานกับพื้นผิว

สูตร: ε = ΔL/L (ΔL = การเปลี่ยนแปลงความยาว, L = ความยาวเดิม)

ไม่มีหน่วย เนื่องจากเป็นอัตราส่วน

รอบรู้เรื่องของไหล

เนื้อหาในส่วนของไหลก็สำคัญไม่แพ้กัน สำหรับของแข็งและของไหลในวิชาฟิสิกส์ที่น้อง ๆ ม. 6 ต้องเรียน โดยนิยามก็คือของไหลเป็นสสารที่สามารถไหลได้และไม่มีรูปร่างที่แน่นอน แบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ ๆ คือของเหลว (Liquid) และแก๊ส (Gas) ของเหลวมีปริมาตรที่คงที่แต่ไม่มีรูปร่างที่แน่นอน ส่วนแก๊สไม่มีทั้งรูปร่างและปริมาตรที่แน่นอน

สิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับของของไหล

ความดันในของไหล (Pressure)

ความดันคือแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ มีหน่วยเป็นนิวตันต่อตารางเมตร (Pa) ในของไหล ความดันจะกระจายอย่างเท่ากันในทุกทิศทาง ความดันในของไหลสามารถอธิบายได้โดยสมการของปาสคาล (Pascal's Principle) ที่กล่าวว่า "ความดันที่กระทำต่อของไหลในภาชนะปิด จะถูกส่งผ่านไปในทุกทิศทางอย่างเท่ากัน"

สูตร: P = F/A (F = แรง, A = พื้นที่)

หน่วย: ปาสคาล (Pa) หรือนิวตันต่อตารางเมตร (N/m²)

ความหนืด (Viscosity)

อธิบายให้เข้าใจแบบกระชับ ความหนืดก็คือความต้านทานการไหลของของไหล โดยวัดจากแรงเฉือนต่อหน่วยพื้นที่ต่ออัตราเฉือน มีหน่วยเป็น ปาสคาล-วินาที (Pa·s) หรือพอยส์ (P)

อัตราการไหล (Flow Rate)

ปริมาตรของของไหลที่ไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดในหนึ่งหน่วยเวลา ใช้สูตร Q = Av (A = พื้นที่หน้าตัด, v = ความเร็วเฉลี่ยของการไหล) ในการคำนวณ และมีหน่วยเป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที (m³/s)

สมการแบร์นูลลี (Bernoulli's Equation)

สมการแบร์นูลลีใช้ในการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดัน ความเร็ว และความสูงของของไหลที่กำลังเคลื่อนที่ โดยมีสูตรในการคำนวณดังต่อไปนี้ P₁ + ½ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + ½ρv₂² + ρgh₂ (P = ความดัน, ρ = ความหนาแน่น, v = ความเร็ว, g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง, h = ความสูง)

ความตึงผิว (Surface Tension)

นิยามของแรงตึงผิวคือแรงดึงที่เกิดขึ้นบนผิวของของเหลว โดยใช้สูตร γ = F/L (F = แรงตึงผิว, L = ความยาวของเส้นผิวของเหลว) ในการคำนวณ และมีหน่วยเป็นนิวตันต่อเมตร (N/m)

แรงลอยตัว (Buoyancy Force, FB)

แรงลอยตัวคือแรงที่ของไหลกระทำต่อวัตถุที่จมอยู่ในของไหลนั้น ใช้สูตร FB = ρgV (ρ = ความหนาแน่นของของไหล, g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง, V = ปริมาตรของของเหลวที่ถูกแทนที่) ในการคำนวณหาผลลัพธ์ และใช้หน่วยเป็นนิวตัน (N)

กฎและหลักการที่เกี่ยวข้องกับของแข็งและของไหล

ความดันไฮโดรสแตติก

ความดันไฮโดรสแตติกคือความดันที่เกิดขึ้นในของไหลที่อยู่นิ่ง โดยความดันจะเพิ่มขึ้นตามความลึกของของไหล มีสูตรคือ P = ρgh (ρ = ความหนาแน่นของของไหล, g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง, h = ความลึก) 

กฎของพาสคัล

นิยามของกฎนี้คือเมื่อออกแรงกดของไหลในภาชนะปิด ความดันจะถูกส่งผ่านไปทั่วของไหลอย่างเท่ากันในทุกทิศทาง ใช้สูตร F1/A1 = F2/A2 (F = แรง, A = พื้นที่) ในการคำนวณ

กฎของอาร์คีมีดีส

กฎของอาร์คีมีดีสกล่าวว่า "วัตถุที่จมอยู่ในของไหลจะถูกแรงลอยตัวกระทำเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกแทนที่" ซึ่งใช้ในการคำนวณแรงลอยตัวของวัตถุในของไหล ตัวอย่างเช่น เรือที่ลอยอยู่บนผิวน้ำ เพราะน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่โดยเรือจะเท่ากับน้ำหนักของเรือ โดยสูตรคือ FB = ρgV (FB = แรงลอยตัว, ρ = ความหนาแน่นของของไหล, g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง, V = ปริมาตรของของเหลวที่ถูกแทนที่)

กฎของฮุก

กฎของฮุกใช้ในการอธิบายแรงที่ใช้ในการยืดหรือหดวัตถุยืดหยุ่นจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะทางที่วัตถุถูกยืดหรือหด โดยสูตรที่ใช้ในการคำนวณคือ F = kx (F = แรง, k = ค่าคงที่สปริง, x = ระยะยืดหรือหด)

ตัวอย่างข้อสอบเรื่องของแข็งและของไหล

ตัวอย่างข้อสอบเรื่องของแข็งและของไหลข้อที่ 1

ลวดเหล็กสำหรับดึงลิฟต์เครื่องหนึ่งมีขีดจำกัดสภาพยืดหยุ่น 2 x 108 นิวตัน/ตารางเมตร และมีพื้นที่หน้าตัด 0.9 ตารางเซนติเมตร ถ้าลิฟต์ตัวนี้เคลื่อนที่ด้วยความเร่งสูงสุด 8 เมตร/วินาที2 มวลในหน่วยกิโลกรัมของลิฟต์และสัมภาระในลิฟต์จะมีค่ามากสุดที่เท่าใด

วิธีทำ:

คำตอบ มวลสูงสุดของลิฟต์และสัมภาระรวมกัน 1,000 กิโลกรัม

ตัวอย่างข้อสอบเรื่องของแข็งและของไหลข้อที่ 2

ลวดโลหะที่มีพื้นที่หน้าตัด 1 ตารางมิลลิเมตร ความยาว 80 เซนติเมตร มีมอดูลัสของยังเท่ากับ 9×1010 นิวตัน/ตารางเมตร ถ้าใช้แรงดึงที่มีน้ำหนัก 45 นิวตัน ลวดจะยืดออกกี่มิลลิเมตร

วิธีทำ:

คำตอบ ลวดจะยืดออก 0.4 มิลลิเมตร

ตัวอย่างข้อสอบเรื่องของแข็งและของไหลข้อที่ 3

เรือสินค้าลำหนึ่งท้องเรืออยู่ลึก 8  เมตร เกิดทะลุเป็นรูโต ½ ตารางเมตร จะต้องออกแรงดันวัสดุปิดรูโหว่นี้เท่าใด น้ำจึงจะไม่เข้าเรือ ถ้าความหนาแน่นของน้ำเท่ากับ 1×10³ กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร

วิธีทำ:

คำตอบ ต้องออกแรงดันวัสดุปิดรูโหว่ 4 × 10⁴ นิวตัน น้ำจึงจะไม่เข้าเรือ

เตรียมตัวสอบ TCAS ติวเข้มไปกับ Applied Physics