สรุป ฟิสิกส์ เรื่อง ของแข็งและของไหล พร้อมตัวอย่างข้อสอบ

สรุปเนื้อหาเรื่อง ของแข็งและของไหล คืออะไร

สสารและสิ่งของต่างๆ ในสภาพปกติทั่วไปจะมี 3 สถานะ ได้แก่ ของแข็ง ของเหลวและแก๊ส ซึ่งของเหลวหรือแก๊สสามารถเรียกว่า ของไหล ได้ เนื่องจากของเหลวและแก๊สสามารถไหลได้นั่นเอง

สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง (clasticity)

สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง คือ สสารในสถานะของแข็งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมลกุลมากพอที่จะทำให้โมเลกุลของของแข็งอยู่ใกล้กันและรูปทรงของของแข็งไม่เปลี่ยนแปลงมาก ของเข็งจะมีรูปร่างและปริมาตรคงตัว สำหรับของแข็งที่ถูกแรงกระทำแล้วเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปจากเดิม และเมื่อหยุดแรงกระทำวัตถุสามารถกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้ แต่หากหยุดแรงกระทำแล้ววัตถุคงรูปร่างที่เปลี่ยนไป เรียกว่า มีสภาพพลาสติก (plasticity)

ความเค้นและความเครียดของของแข็ง

• ความเค้นตามยาว (longitudinal stress) คือ แรงกระทำตั้งฉากต่อหน่วยพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ ซึ่งเป็นปริมาณสเกลลาร์ มีหน่วยเป็น นิวตันต่อตารางเมตร
• ความเครียด (Tensile train) คือ อัตราส่วนระหว่างความยาวที่เพิ่มขึ้นต่อความยาวเดิม โดยความเครียดนั้นเป็นปริมาณสเกลลาร์ และไม่มีหน่วย

มอดุลัสของยัง (Young’s modulus) คือ อัตราส่วนระหว่างความเค้นตามยาวต่อความเศรียดตามยาว

ความตึงผิวของของเหลว

ความตึงผิว(Surface tension) คือ อัตราส่วนของแรงที่กระทำไปตามผิวของเหลวต่อความยาวของผิวที่ถูกแรงกระทำ ซึ่งความยาวนี้ต้องตั้งฉากกับแรงด้วย ความตึงผิวมีหน่วยเป็น นิวตันต่อเมตร ส่วนแรงตึงผิวของของเหลว คือ แรงชนิดหนึ่งที่พยายามยึดผิวของเหลวไว้ แรงดึงผิวของของเหลวจะมีทิศขนานกับผิวของของเหลวและตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส โดย

• ค่าความตึงผิวของของเหลวแต่ละชนิดจะมีค่าไม่เท่ากัน
• ค่าความตึงผิวจะลดลงเมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มขึ้น
• สำหรับของเหลวชนิดเดียวกันค่าความตึงผิวจะเปลี่ยนไป เมื่อมีสารมาเจือปน เช่น น้ำสบู่ น้ำเกลือ จะมีความตึงผิวน้อยกว่าความตึงผิวของน้ำ

ความหนืดของของเหลว

ความหนืด คือ คุณสมบัติของของไหลในการต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุในของไหลนั้น มีหน่วยเป็น นิวตัน-วินาทีต่อตารางเมตร

ส่วนแรงหนืด คือ แรงเสียดทานภายในของไหล หรือแรงต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เกิดภายในของไหลนั้น ซึ่งจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร็ว พื้นที่ผิวของของไหล และเป็นปฏิภาคกลับความหนาแน่นของของไหล โดยความหนืดในของเหลวนั้นเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ซึ่งจะมีค่าลดลงเมื่อของเหลวมีอุณหภูมิสูงขึ้น ทั้งนี้ ของไหลที่มีความหนืดสูงจะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าของไหลที่มีความหนืดต่ำ

กฎของสโตกส์ ( Stokes Law ) คืออะไร

ของไหลสถิต

• แรงดัน ( Force , F ) คือ ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่ ๆ ถูกแรงกระทำ แรงดันเป็นปริมาณเวกเตอร์มีหน่วยเป็น นิวตัน
• ความดัน ( P ressure , P ) คือ อัตราส่วนระหว่างแรงที่กระทำต่อพื้นที่ ๆ ถูกแรงกระทำโดยพื้นที่นั้นต้องตั้งฉากกับแรงกระทำด้วยความดันเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นนิวต้นต่อตารางเมตรหรือพาสคัล (Pa)
• ความดันในของเหลว จะขึ้นอยู่กับความลึก โดยความดันนั้นมีหลายชนิด ได้แก่
  • ความดันบรรยากาศ (Atmospheric Pressure , Pa)
  • ความดันเกจ (Gauge Pressure , Pg)
  • ความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure , P)

• เครื่องมือวัดความดัน
  • บารอมิเตอร์ปรอท
  • บารอมิเตอร์แอนีรอยด์
  • แมนอมิเตอร์

กฎของปาสคาล

กฎของปาสคาลกล่าวว่า “ถ้าให้ความดันแก่ของเหลวที่อยู่ในภาชนะปิดใดๆ ความดันนั้นจะส่งไปทั่วทุก ๆ ส่วนของของเหลว และที่ผนังของภาชนะซึ่งบรรจุของเหลวนั้น ” กฎของปาสคาลแสดงให้เห็นได้โดยเครื่องอัดไฮดรอลิก (hydraulic press)

หลักของอาร์คีมีดิส

“เมื่อวัตถุทั้งก้อนหรือเพียงบางส่วนจมลงในของเหลว ของเหลวจะออกแรงในทิศขึ้นกระทำต่อวัตถุมีขนาดเท่ากับขนาดน้ำหนักของของเหลวซึ่งถูกแทนที่และแรงนี้คือแรงลอยตัวของของเหลวนั้นเอง”

ตัวอย่างข้อสอบ ของแข็งและของไหล

1. ถังน้ำเปิดฝาสูง 2 เมตรบรรจุน้ำอยู่เต็มถังตั้งบนฐานสูง 3.8 เมตร ถ้าเจาะรูด้านข้างถังโดยสูงจากก้นถังขึ้นมา 1.2 เมตร จงหาว่าน้ำจะพุ่งออกจากรูที่เจาะด้วยความเร็วเท่าไร

ก. 4.0 m/s
ข. 4.9 m/s
ค. 6.8 m/s
ง. 10.0 m/s

2. น้ำไหลผ่านสายน้ำดับเพลิงที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 6.0 เซนติเมตร ด้วยอัตรา 0.02 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที ปลายสายฉีดดับเพลิงมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 2.0 เซนติเมตร จงหาอัตราเร็วที่น้ำไหลออกจากปลายดับเพลิง

ก. 0.06 เมตรต่อวินาที
ข. 0.18 เมตรต่อวินาที
ค. 66.7/T เมตรต่อวินาที
ง. 200/T เมตรต่อวินาที

3. น้ำไหลลงมาตามสายยางที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็นวงกลมขนาด 1.0 cm2 ด้วยอัตราเร็ว 4.0 m /s จงหาอัตราเร็วของน้ำในสายยางดังกล่าวถ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของสายยางลดลงเป็น 1/2เท่าของค่าเดิม

ก. 1.0 m/s
ข. 4.0 m/s
ค. 8.0 m/s
ง. 16 m/s