Section 5.3 Rotating Observer - ภาควิชาฟิสิกส์ - มหาวิทยาลัยขอนแก่น
Section 5.3 Rotating Observer - ภาควิชาฟิสิกส์ - มหาวิทยาลัยขอนแก่น
Section 5.3 Rotating Observer - ภาควิชาฟิสิกส์ - มหาวิทยาลัยขอนแก่น
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
้<br />
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-17<br />
ผู<br />
้โดยสารโดนเหวี่ยงด้วยแรงหนีศูนย์กลางจริงหรือ<br />
ข้อโต้แย้งอันนี ้ พยายามที่จะโยงว่าการที่ผู้โดยสารที่หลุดออกจากรถ ในขณะมีการเข้าโค้งนั ้น เป็น<br />
สภาวะการเคลื่อนที่ ซึ ่งต้องมีแรงมาเกี่ยวข้อง คล้ายกับจะพยายามอธิบายว่าโดนถีบออกจากรถ<br />
เนื่องมาจากแรง และแรงนั ้นก็ต้องเป็นแรงหนีศูนย์กลาง<br />
แท้จริงแล้ว การที่ผู้โดยสารหลุดออกจากรถ เป็นสภาพปกติอยู ่แล้ว เนื่องจากเขาเคลื่อนที่เป็น<br />
เส้นตรงมาโดยตลอด ก่อนที่จะเข้ามาถึงยังทางเลี ้ยว จึงไม่แปลกที่ผู้โดยสารจะพยายามเคลื่อนที่ด้วย<br />
ความเร็วคงที่ ในทิศทางคงที่ต่อไปเรื่อยๆ อย่างเป็นธรรมชาติ ตัวรถเองต่างหากที่บังเอิญเลี ้ยว ทํา<br />
ให้ดูเสมือนว่า ผู้โดยสารโดนเหวี่ยงออกจากรถด้วยแรงอันหนึ ่ง ซึ ่งให้ชื่อว่า แรงหนีศูนย์กลาง<br />
ด้วยเหตุผล และตรรกะทางความคิดที่ได้แสดงมาแล้วนั ้น คงพอให้นักศึกษาได้เข้าใจแล้วว่า การ<br />
เคลื่อนที่เป็นวงกลม ด้วยอัตราเร็วสมํ ่าเสมอนั ้น ต้องอาศัยแรงลัพธ์ซึ ่งมีทิศเข้าสู ่ศูนย์กลาง ไม่ว่าจะ<br />
เป็นแรงตึงเชือกในกรณีการแกว่งมวลที่ผูกอยู ่กับเชือกเป็นวงกลม แรง normal force ที่ดันลูกเหล็ก<br />
ให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมภายในแหวน หรือแม้กระทั่งแรงโน้มถ่วงที่ดวงอาทิตย์ดึงดูดโลกไว้ในวง<br />
โคจร และที่สําคัญที่สุด<br />
"แรงหนีศูนย์กลาง" เป็นเพียงภาพลวงตาที่ไม่มีอยู ่จริง<br />
________________________________ (5.12)<br />
<strong>Section</strong> <strong>5.3</strong> <strong>Rotating</strong> <strong>Observer</strong><br />
เพื่อที่จะให้เรามองเห็นได้ชัดเจนมากขึ ้น ในกรณีที่ผู้สังเกต 2 คน แทนด้วย Alice ซึ ่งหยุดนิ่ง และ<br />
Lisa ซึ ่งกําลังหมุน มองการเคลื่อนที่อันเดียวกัน แต่ตีความและวัดปริมาณทางฟิสิกส์ออกมาได้<br />
แตกต่างกัน ลองพิจารณาแบบจําลองอย่างง่ายของ reference frame 2 อันด้วยกัน ซึ ่งในเบื ้องต้นนี<br />
เพื่อความสะดวก สมมุติให้ผู้สังเกตทั ้งสอง มีจุดกําเนิดซ้อนทับกันอยู ่ เพียงแต่ว่า Lisa มีการหมุน<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-18<br />
ด้วยอัตราเร็วเชิงมุม ω ดังแสดงในภาพ (5.5)<br />
SIDE VIEW<br />
Lisa หมุนรอบตัวเอง<br />
ˆk<br />
Alice และ Lisa สังเกตเห็นผีเสื้อบินแตกต่างกันอย่างไร<br />
î<br />
k<br />
ˆ <br />
<br />
ˆ<br />
i<br />
ˆ<br />
j<br />
ĵ<br />
Alice หยุดนิ่ง<br />
ภาพ (5.5) แสดงผู้สังเกต 2 คน Alice และ Lisa ซึ ่งมีจุดกําเนิดซ้อนทับกัน แต่ Lisa นั ้นหมุน<br />
ด้วยอัตราเร็วเชิงมุม ω<br />
Alice ซึ ่งหยุดนิ่ง สร้างแกนในระบบ Cartesian ขึ ้นมา 3 อันด้วยกันคือ ˆˆ i,,<br />
j k ˆ เพราะฉะนั ้น เมื่อ<br />
สังเกตการเคลื่อนที่ของผีเสื ้อ เธอบอกตําแหน่งของมันด้วยพิกัด x, yz , โดยที่<br />
<br />
r x ˆi yˆj zkˆ<br />
จากสมการข้างต้นจะพบว่า ในขณะที่ผีเสื ้อเคลื่อนที่ พิกัด x xt (), y yt (), z zt () ย่อม<br />
เปลี่ยนแปลงเป็นฟังชันก์ของเวลา ในขณะที่ unit vector ˆˆ i,,<br />
j k ˆ ซึ ่งเป็นตัวแทนของแกน Cartesian<br />
ทั ้งสามของ Alice นั ้นคงที่ ด้วยเหตุที่ Alice เองก็หยุดนิ่งเช่นกัน<br />
Lisa ซึ ่งกําลังหมุน ก็สร้างแกนในระบบ Cartesian ขึ ้นมาเช่นกันคือ ˆ i, ˆ j,<br />
k ˆ เธอเองก็มองการ<br />
เคลื่อนที่ของผีเสื ้อ และบอกตําแหน่งของมันด้วยพิกัด x, y,<br />
z โดยที่<br />
<br />
r x ˆi y ˆj zkˆ<br />
<br />
สมการข้างต้นมีความซับซ้อนอยู ่พอสมควร ทั ้งนี ้นอกจาก x, y,<br />
z จะเปลี่ยนแปลงกับเวลา<br />
เพราะผีเสื ้อก็คงบินลดเลี ้ยวไปมา แกน ˆ i, ˆ j,<br />
k ˆ ก็ยังหมุนด้วยอัตราเร็วเชิงมุม ω ไปพร้อมๆกับ<br />
Lisa ด้วย<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-19<br />
แน่นอนว่าถ้าเราถาม Lisa ด้วยความที่เอาตนเองเป็นใหญ่ (frame of reference) เธออ้างว่าตัวเธอนั ้น<br />
หยุดนิ่ง และ Alice ต่างหากที่กําลังหมุน เพื่อความไม่สับสน เนื่องจากเราเป็นผู้กําหนดโจทย์ของ<br />
การวิเคราะห์ เปรียบเสมือนพระเจ้าผู้ทรงทราบความจริงทั ้งมวล เราทราบว่า Alice นั ้นหยุดนิ่ง<br />
และ Lisa นั ้นหมุนรอบตัวเอง<br />
ในที่นี ้เราต้องการทราบว่า เส้นทางการเคลื่อนที่ซึ ่ง Alice สังเกตเห็น และเส้นทางการเคลื่อนที่ ซึ ่ง<br />
Lisa วัดได้ จะสัมพันธ์หรือแตกต่างกันอย่างไร หรืออีกนัยหนึ ่ง<br />
จงหาความสัมพันธ์ <br />
, ,<br />
และ x, yz , ดังในภาพ<br />
x y z<br />
เมื่อตั ้งคําถามเป็นที่ชัดเจนแล้ว เริ่มด้วยการพิจารณาพิกัดตามแนวตั ้งของผู้สังเกตทั ้งสอง ดังแสดง<br />
ในภาพ (5.5) เนื่องจาก ˆk และ k ˆ ซ้อนทับกันพอดี และการหมุนของ Lisa ก็ยังหมุนรอบแกนใน<br />
แนวตั ้ง เพราะฉะนั ้น<br />
z z<br />
คงเหลือแต่พิกัด x,<br />
y และ x,<br />
y ที่จะมีความสัมพันธ์ซึ ่งซับซ้อนมากขึ ้น เพื่อง่ายต่อการ<br />
วิเคราะห์เรามองระบบจากด้านบน หรือ TOP VIEW ดังแสดงในภาพ (5.6)<br />
ĵ<br />
ˆ<br />
j<br />
y<br />
TOP VIEW<br />
r<br />
<br />
<br />
P<br />
Q<br />
ˆ<br />
j<br />
ˆ<br />
i<br />
O<br />
î<br />
x<br />
O<br />
x<br />
r<br />
<br />
r<br />
ภาพ (5.6) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแกนที่ใช้ในการบ่งชี ้พิกัดของผู้สังเกตทั ้งสอง เนื่องจาก<br />
การหมุน มุม ωt มีการเปลี่ยนแปลงกับเวลา<br />
<br />
P<br />
r<br />
y<br />
Q<br />
ˆ<br />
i<br />
ภาพ (5.6) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแกนที่ใช้ในการบ่งชี ้พิกัดของผู้สังเกตทั ้งสอง เนื่องจากการ<br />
หมุนของ Lisa vector ˆ i ทํามุม กับ vector î ซึ ่งเป็นแกน x ของ Alice<br />
ทั ้งนี ้ต้องเข้าใจว่า<br />
ωt มีการเปลี่ยนแปลงกับเวลา สมมุติให้ผีเสื<br />
้อในขณะนั ้น ตั ้งอยู ่ ณ จุด P ซึ ่ง<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-20<br />
Alice วัดพิกัดของมันได้ x,<br />
y จากภาพจะพบว่า<br />
x rcos <br />
และ y rsin<br />
<br />
เมื่อ r คือระยะห่างระหว่างจุด P และจุดกําเนิด เมื่อสังเกตโดย Alice และเมื่อใช้กฎของ cosine และ<br />
sine ฟังชันก์ จะได้ว่า<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
xrcos rcos cos rsin sin<br />
y rsin rsin cos rcos sin<br />
__________________ (5.13)<br />
นอกจากนี ้ เมื่อพิจารณาสามเหลี่ยมมุมฉาก OPQ (สีฟ้ า) ซึ ่งมีฐานของสามเหลี่ยมขนานไปกับแกน<br />
ˆ i ของ Lisa พบว่า<br />
x<br />
rcos<br />
rcos<br />
และ y<br />
rsin<br />
rsin<br />
ในสมการข้างต้น เนื่องจากจุดกําเนิดของ Lisa และ Alice ซ้อนทับพอดีดังนั ้น r r จากนั ้น<br />
แทน rcos<br />
x<br />
และ rsin<br />
y<br />
ในสมการ (5.13) ทําให้<br />
x<br />
xcos<br />
ysin<br />
y xsin<br />
ycos<br />
z z<br />
สมการข้างต้นนี ้เอง คือความสัมพันธ์ <br />
Alice<br />
เมื่อ ωt ______________________ (5.14)<br />
, ,<br />
และ , , <br />
x y z<br />
ตัวอย่างโจทย์<br />
x yz ซึ<br />
่งก็คือพิกัดที่วัดโดย Lisa และ<br />
ผู้สังเกต Alice และ Lisa ดังในภาพ (5.5) ถ้า Alice มองเห็นผีเสื ้อบินเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่<br />
ดังแสดงในภาพ Lisa จะเห็นเส้นทางของผีเสื ้อเป็นเช่นใด <br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
้<br />
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-21<br />
ˆk<br />
Alice และ Lisa สังเกตเห็นผีเสื้อบินแตกต่างกันอย่างไร<br />
ĵ<br />
Lisa หมุนรอบตัวเอง<br />
î<br />
Alice หยุดนิ่ง<br />
k<br />
ˆ <br />
ˆ<br />
i<br />
ˆ<br />
j<br />
ĵ<br />
Alice<br />
<br />
r<br />
ut<br />
ˆ<br />
0 j<br />
î<br />
วิธีทํา แทน x 0 และ y ut 0 จากโจทย์กําหนดให้ ในสมการ (5.14) จะได้ว่า<br />
0<br />
xcosωt<br />
ysinωt<br />
ut<br />
xsinωt<br />
ycosωt<br />
0<br />
_________________________ (E.1)<br />
ยกกําลังสองทั ้งสองข้างของสมการ<br />
2 2 2 2<br />
0 x cos ωt2xy sinωtcosωt<br />
y<br />
sin ωt<br />
2 2 2 2 2 2<br />
0 x xy y<br />
ut sin ωt 2 sinωtcosωt cos ωt<br />
2 2<br />
เมื่อรวมทั ้งสองสมการเข้าด้วยกัน และใช้เอกลักษณ์ <br />
cos ωt sin ωt 1<br />
ทําให้<br />
สมการข้างต้น อยู ่ในรูปของวงกลม ที่มีรัศมี 0<br />
จากสมการ (E.1)<br />
ut 2 2 2<br />
0 x y <br />
_________________________ (E.2)<br />
ut ซึ<br />
่งเพิ่มขึ ้นเรื่อยๆเมื่อเวลาผ่านไป นอกจากนี<br />
y<br />
cos ωt<br />
x<br />
sin ωt<br />
_________________________ (E.3)<br />
หรือ<br />
y<br />
2 2<br />
2<br />
cos ωt<br />
x<br />
ซึ<br />
2<br />
sin ωt<br />
่งเมื่อแทนลงในสมการ (E.2) จะพบว่า<br />
<br />
<br />
2<br />
2 2 2<br />
2 2 cos ωt 2 sin ωt <br />
2<br />
0 x x x cos ωt x<br />
1<br />
2 2 2<br />
ut<br />
sin ωt sin ωt sin ωt<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-22<br />
ทําให้<br />
x utsinωt 0 _________________________ (E.4)<br />
ซึ ่งถ้าแทนความสัมพันธ์ดังกล่าวในสมการ (E.3)<br />
จะได้ว่า<br />
y utcosωt 0 _________________________ (E.5)<br />
สมการ (E.4) และ สมการ (E.5) นี ้เอง คือเส้นทางการบินของผีเสื ้อในมุมมองของ Lisa ซึ ่งเป็น<br />
reference frame ที่กําลังหมุน และถ้าเราจะทําการวาดกราฟของเส้นทางที่เห็นโดย Alice และ Lisa<br />
เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ จะได้ว่า<br />
ĵ<br />
ˆ<br />
j<br />
Alice<br />
<br />
r<br />
ut<br />
ˆ<br />
0 j<br />
<br />
r <br />
utsinωt<br />
ˆ<br />
i <br />
u tcosωt<br />
ˆ<br />
j<br />
<br />
0 0<br />
î<br />
ˆ<br />
i<br />
Lisa<br />
Lisa เห็นเส้นทางบินเป็นลักษณะคล้ายก้นหอย ตอบ<br />
จากตัวอย่างโจทย์ข้างต้นจะเห็นว่า เมื่อผู้สังเกตเองมีการหมุน ย่อมเห็นการเคลื่อนที่นั ้นผิดเพี ้ยนไป<br />
จากผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง และในกรณีที่ผู้สังเกตทั ้งสองมีจุดกําเนิดร่วมกัน สมการ (5.14) เป็นสิ่งที่<br />
แสดงความสัมพันธ์ของพิกัดที่ Alice และ Lisa วัดได้นั่นเอง<br />
แบบฝึ กหัด <strong>5.3</strong> ผู้สังเกต Alice และ Lisa ดังในภาพ (5.5) ถ้า Alice มองเห็นมวลที่ผู้ติดกับสปริง<br />
ซึ ่งวางบนแกน y และมีการเคลื่อนที่แบบ simple harmonic oscillation yt () Asinωt<br />
เมื่อ A<br />
คือ constant จงหาว่า Lisa จะเห็นเส้นทางการเคลื่อนที่เป็นแบบใด <br />
0.5<br />
0 0.5 1<br />
0.5<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-23<br />
เฉลย วงกลม x() t Asinωtsinωt<br />
และ y() t Asinωtcosωt<br />
แบบจําลองอย่างง่ายที่ Lisa มีการหมุนรอบตัวเองนั ้น จะเป็นพื ้นฐานที่สําคัญในการวิเคราะห์การเล็ง<br />
เป้ ากระสุนปืนใหญ่ เมื่อนําเอาผลกระทบที่เกิดจากการหมุนของโลก มาพิจารณาร่วมด้วย อย่างไรก็<br />
ตาม การจะวิเคราะห์ในทางคณิตศาสตร์ถึงวิถีกระสุนดังกล่าว มีความยุ่งยากซับซ้อนมาก โดยเฉพาะ<br />
อย่างยิ่ง กลไกทางคณิตศาสตร์ที่เรามีอยู ่ในมือในตอนนี ้ ยังไม่มีความพร้อม<br />
เบื ้องต้น เราลดระดับความยากของปัญหา มาพิจารณาการปล่อยให้ลูกมะม่วง หล่นลงมาบนผิวโลก<br />
สมมุติให้ปราศจากแรงลม หรือ สิ่งรบกวนภายนอก เราคาดว่ามันคงจะพุ่งลงมาในแนวดิ่ง และ ตก<br />
พื ้น ณ เบื ้องล่างในแนวเส้นตรง<br />
สมมุติต่อไปอีกว่า มะม่วงอยู ่บนต้นที่สูงมาก ร่วมหลายกิโลเมตร และมันใช้เวลานานเกือบ 2<br />
นาทีกว่าจะตกลงพื ้นดิน คราวนี ้นักศึกษาคิดว่า จุดที่ตกกระทบพื ้น จะยังคงเป็นแนวดิ่งที่ลากเป็น<br />
เส้นตรงอยู ่หรือไม่ <br />
ตอบได้ง่ายว่าไม่ นับจากเสี ้ยววินาทีที่มะม่วงหลุดจากต้น พื ้นโลกเบื ้องล่างมีการหมุนไป และถ้า<br />
คุณอยู ่ ณ เส้นศูนย์สูตร หมุนด้วยอัตราเร็วถึง 1665 km/hrs แต่การจะวิเคราะห์ว่า จุดตกกระทบพื ้น<br />
จะอยู ่ ณ ที่ใด มิได้ง่ายอย่างที่คิด<br />
เพื่อให้เห็นภาพได้ชัดเจนขึ ้น เก็บปัญหาของมะม่วงหล่นไม่ไกลต้นไว้ในใจชั่วขณะ และมาศึกษา<br />
แบบจําลองของการยิงธนูดังแสดงในภาพต่อไปนี ้<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
่<br />
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-24<br />
ยิงธนูข้างนอก จากจุดหยุดนิ่ง ชนวงกลมซึ่งกําลังหมุน<br />
SIDE VIEW<br />
ω<br />
2<br />
TOP VIEW<br />
1<br />
ยิงธนู<br />
3<br />
จานกําลังหมุนในแนวราบด้วยอัตราเร็วเชิงมุม ω จากนั ้นเราขีดเส้นเป็นวงกลม 2 วงซึ ่งหมุนไป<br />
ด้วยกัน พิจารณาการยิงธนูเป็น 3 ขั ้นตอน<br />
1) ยิงธนูจากข้างนอก จากจุดหยุดนิ่ง เล็งเข้าสู ่ศูนย์กลาง<br />
2) เมื่อลูกศรปะทะวงกลมวงนอก เกิดเป็นรอยปะทะสีแดง<br />
3) ลูกศรถลําลึกเข้าไปในวงกลมด้านใน และปะทะอีกครั ้ง และเนื่องจากในขั ้นนี ้ ลูกศรใช้<br />
เวลาเดินทางเล็กน้อย จุดปะทะอันแรก หมุนไปและอยู ่ทางขวามือ ของจุดปะทะอันที่สอง<br />
คราวนี ้ลองมาสังเกตการยิงธนูที่แตกต่างออกไป ดังแสดงในภาพข้างล่าง คราวนี ้คันธนูยึดติดอยู<br />
กับจานที่กําลังหมุน แม้จะเล็งลําลูกศรในแนวเข้าสู ่ศูนย์กลาง แต่เมื่อลูกศรหลุดจากคันธนู มันมี<br />
ความเร็วหนุนเนื่องที่เกิดจากจานที่เหวี่ยงไปด้านขวา ทําให้ผลลัพธ์ที่เกิดขึ ้น ลูกศรเคลื่อนที่ในแนว<br />
เอียงไปทางขวา ดังนั ้นจุดปะทะอันแรก อยู ่ทางซ้ายมือ ของจุดปะทะอันที่สอง<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-25<br />
ยิงธนูจากวงกลม ซึ่งกําลังหมุน<br />
SIDE VIEW<br />
ω<br />
TOP VIEW<br />
ผนวกกับจานเหวี่ยง<br />
แนวการเล็ง<br />
ผลลัพธ์<br />
ข้อแตกต่างของการยิงธนูทั ้งสองแบบนั ้น ขึ ้นอยู ่กับว่าคันธนูมีการเคลื่อนที่เป็นวงกลมไปพร้อมกับ<br />
จานหมุนหรือไม่ หรือว่าหยุดนิ่งอยู ่กับที่เมื่อยิงจากภายนอก<br />
ω เหนือ<br />
จุด จุด apple ตกดิน เบนไปทางตะวันออกเล็กน้อย !<br />
!<br />
แนวดิ่ง<br />
ตก<br />
ออก<br />
วกกลับมายังปัญหาของมะม่วง (หรือ apple) ที่หล่นจากต้น เมื่อครั ้งที่มะม่วงหลุดจากต้น<br />
สถานการณ์เหมือนกับการที่คันธนูหมุนไปพร้อมกับจาน เพราะต้นไม้ก็หมุนไปพร้อมๆกับโลก<br />
เช่นเดียวกัน และหมุนในแนว ตะวันตก ตะวันออก ดังภาพข้างต้น<br />
เพราะฉะนั ้น เราบอกได้โดยประมาณว่า จุดที่มะม่วงตกเบนมาทางทิศตะวันออกเล็กน้อย ซึ ่งเป็น<br />
ข้อสรุปที่แปลกเป็นอย่างยิ่ง Isaac Newton เองได้ทํานายการเบนออกดังกล่าวตั ้งแต่ปี ค.ศ. 1679<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011
Classical Mechanics ระดับอุดมศึกษา 5 <strong>Rotating</strong> Coordinate 5-26<br />
และได้มีการทดลองปล่อยลูกเหล็กให้หล่นในเหมืองซึ ่งลึก 188 เมตร เมื่อปี 1831 โดย F. Reich<br />
พบว่ามีการเบนออกมาทางทิศตะวันออกโดยเฉลี่ยแล้ว 28 มิลลิเมตรจากจุดทิ้งดิ่ง (Marion and<br />
Thornton, "Classical Dynamics of Particles and Systems")<br />
เนื ้อหาในลําดับต่อไปนี ้ จะเป็นการเตรียมความพร้อมที่จะทําให้เราสามารถผนวกกลไกทาง<br />
คณิตศาสตร์ เข้ากับหลักการทางฟิสิกส์เพื่อคํานวณระยะเบนออกดังกล่าว โดยที่กระบวนชุด<br />
ความคิดที่เราจะได้บรรเลงต่อไปนี ้ เป็นท่วงทํานองเดียวกันกับที่นักฟิสิกส์ชั ้นครูอย่าง Newton ได้เคย<br />
สําแดงไว้เมื่อราว 330 ปีที่ผ่านมา<br />
<strong>Section</strong> 5.4 ผู ้สังเกตที่มีความเร่ง - Non Inertia Coordinate<br />
ในการวิเคราะห์ถึงสมบัติของการเคลื่อนที่ของผีเสื ้อ ดังตัวอย่างโจทย์ที่ผ่านมา การหมุนของ Lisa<br />
ซึ ่งอยู ่ในถานะ frame of reference มีผลกระทบต่อเส้นทางการบิน ที่สังเกตเห็น ตลอดจนความเร็ว<br />
และความเร่ง ของผีเสื ้อขณะเคลื่อนที่<br />
นอกจากการสังเกตแล้ว ผู้สังเกตยังจําเป็นต้องทํานายการเคลื่อนที่ของวัตถุ ภายใต้กรอบอ้างอิงที่<br />
<br />
ตนเองกําหนดขึ ้น แน่นอนว่าในการทํานายการเคลื่อนที่ กฎของ Newton Fnet ma<br />
เป็นสมการ<br />
ชิ้นสําคัญที่จะทําให้เราสามารถสร้างสมการการเคลื่อนที่ เหมือนดังที่เราได้ศึกษามาแล้วในบทก่อนๆ<br />
คําถามมีอยู ่ว่า กฎของ Newton ยังคงเป็นสมการที่เป็นจริงอยู ่ไม่ หากตัวผู้สังเกตเองมีการเคลื่อนที่ <br />
คําตอบที่ถูกต้องนั ้น เป็นได้ทั ้ง 1) ใช่ และ 2) ไม่ใช่ แล้วแต่กรณี<br />
1) ใช่ ในกรณีที่ผู้สังเกตเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ หรืออีกนัยหนึ ่ง ความเร่งเป็นศูนย์ ในทาง<br />
ฟิสิกส์เราเรียกผู้สังเกตลักษณะนี ้ว่า "inertia coordinate" ซึ ่งหมายถึง ผู้สังเกต หรือ กรอบอ้างอิงที่มี<br />
ความเร็วคงที่<br />
2) ไม่ใช่ ในกรณีที่ผู้สังเกตมีความเร่ง หรือที่เรียกว่า "non-inertia coordinate" ยกตัวอย่างเช่น ผู้<br />
สังเกตอยู ่ภายในรถยนต์ที่กําลังเร่งเครื่องเมื่อสัญญาณจราจรสีเขียวปรากฏขึ ้น หรือผู้สังเกตยืนอยู ่บน<br />
ม้าหมุน หรือแม้กระทั ้ง คนทุกคนบนโลกที่เฝ้ ามองการบินของนก ด้วยเหตุที่โลกหมุนรอบตัวเอง<br />
ทําให้ตัวเราหมุนไปพร้อมๆกับโลก ส่งผลให้ผู้สังเกตมีความเร่งเข้าสู ่ศูนย์กลาง<br />
Dr. Teepanis Chachiyo <strong>ภาควิชาฟิสิกส์</strong> <strong>มหาวิทยาลัยขอนแก่น</strong> teepanis@kku.ac.th Draft Jan 2011