16.01.2015 Views

Section 5.3 Rotating Observer - ภาควิชาฟิสิกส์ - มหาวิทยาลัยขอนแก่น

Section 5.3 Rotating Observer - ภาควิชาฟิสิกส์ - มหาวิทยาลัยขอนแก่น

Section 5.3 Rotating Observer - ภาควิชาฟิสิกส์ - มหาวิทยาลัยขอนแก่น

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!