ฟิสิกส์ A-Level 69: สรุปเรื่องแรงเสียดทาน พร้อมตัวอย่างโจทย์

Key Takeaway

แรงเสียดทาน (Friction) เป็นอีกหนึ่งบทปราบเซียนในข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ ที่ไม่ได้วัดแค่การจำสูตร แต่เน้นการวิเคราะห์สถานการณ์และแนวโน้มการเคลื่อนที่ของวัตถุ หัวใจหลักของการสรุปเรื่องแรงเสียดทาน คือการทำความเข้าใจว่า แรงนี้จะมีทิศ "ต้านการเคลื่อนที่ หรือต้านความพยายามที่จะเคลื่อนที่" เสมอ สิ่งที่ต้องแม่นยำคือการแยกสถานการณ์เพื่อใช้สูตรให้ถูก และระวังจุดหลอกยอดฮิตในข้อสอบ ดังนั้น การจับหลักคอนเซปต์การปรับตัวของแรงให้แน่น ควบคู่กับการฝึกวิเคราะห์สมดุลกลในโจทย์เก่าจะช่วยให้ไม่โดนข้อสอบสับขาหลอก และพร้อมกวาดคะแนน A-Level 69 จากบทนี้ได้อย่างแน่นอน

Table of Content

• แรงเสียดทานคืออะไร ?
• ประเภทของแรงเสียดทาน
• 1. แรงเสียดทานสถิต (Static Friction)
• 2. แรงเสียดทานจลน์ (Kinetic Friction)
• เจาะลึกค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน
• การวิเคราะห์แรงบนพื้นเอียง
• ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีทำ
• โจทย์ข้อที่ 1 : การเช็กความเข้าใจเรื่องการปรับตัวของแรงเสียดทานสถิต
• โจทย์ข้อที่ 2 : ระวังโดนหลอกด้วย fs(max)
• โจทย์ข้อที่ 3 : กฎข้อที่ 1 ของนิวตันกับแรงเสียดทาน
• คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการสรุปฟิสิกส์เรื่องแรงเสียดทาน (FAQs)
• Q : พื้นที่ผิวสัมผัสมีผลต่อขนาดของแรงเสียดทานหรือไม่ เช่น วางกล่องแนวนอนกับแนวตั้ง ความฝืดจะเท่ากันไหม ?
• Q : แรงเสียดทานมีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอไปเลยหรือเปล่า ?
• Q : ทำไมเวลาเราพยายามผลักตู้ใบหนัก ๆ ตอนที่ตู้กำลังจะขยับถึงรู้สึกว่าต้องออกแรงมากกว่าตอนที่ตู้ไถลไปแล้ว ?
• Q : ถ้าวัตถุไถลไปบนพื้นด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แรงเสียดทานจลน์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วด้วยไหม ?

สำหรับน้อง ๆ #Dek69 ที่กำลังเตรียมตัวสอบ A-Level ฟิสิกส์ บทความนี้จะพาไปเจาะลึกและสรุปเรื่องแรงเสียดทานซึ่งถือเป็นหัวข้อหลักของบทกลศาสตร์ ที่ไม่ว่าจะสอบปีไหนก็ออกชัวร์ ๆ แถมยังไปโผล่ปนกับเรื่องอื่นได้อีกเพียบ ทั้งเรื่องกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน งานและพลังงาน ไปจนถึงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย รับรองว่าถ้าเข้าใจคอนเซปต์ของแรงเสียดทานและสามารถวาด Free Body Diagram ได้คล่อง รับรองว่าน้อง ๆ จะมองโจทย์ได้ทะลุปรุโปร่ง ช่วยให้ทำข้อสอบไวขึ้น และยิ่งถ้ามีการลงเรียนคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลายควบคู่กันไปด้วย ก็จะช่วยใหเข้าใจเรื่องแรงเสียดทานได้ดียิ่งขึ้นแน่นอน

แรงเสียดทานคืออะไร ?

แรงเสียดทาน หรือในภาษาอังกฤษเรียกว่า Friction คือแรงที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุสองชิ้นเมื่อมีการพยายามเคลื่อนที่ หรือกำลังเคลื่อนที่ไปบนอีกผิวสัมผัสหนึ่ง ซึ่งโดยธรรมชาติของแรงนี้จะทำหน้าที่ ต้านการเคลื่อนที่ หรือต้านความพยายามที่จะเคลื่อนที่เสมอ โดยทิศทางของแรงเสียดทานจะตรงข้ามกับทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่เสมอ เช่น ถ้าพยายามผลักตู้ไปทางขวา แรงเสียดทานระหว่างพื้นกับตู้ก็จะชี้ไปทางซ้ายเพื่อต้านการผลักของเรา

ประเภทของแรงเสียดทาน

ในระดับ ม.ปลาย แบ่งแรงเสียดทานออกเป็น 2 ประเภทหลัก ๆ ซึ่งน้อง ๆ ต้องแยกให้ออกเพื่อเลือกใช้สูตรให้ถูกต้อง

1. แรงเสียดทานสถิต (Static Friction)

ใช้สัญลักษณ์ย่อคือ fs เป็นแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่ วัตถุยังคงอยู่นิ่ง ไม่มีการเคลื่อนที่ หรือ กำลังจะเริ่มเคลื่อนที่ (จุดที่แรงเสียดทานสถิตมีค่าสูงสุด)

• จุดเด่นของแรงเสียดทานสถิตคือค่าไม่คงที่ โดยจะปรับตัวมีขนาดเท่ากับแรงที่เราออกดึงหรือผลักวัตถุเป๊ะ ๆ เพื่อรักษาสมดุลให้วัตถุอยู่นิ่ง
• แต่แรงเสียดทานสถิตก็มีขีดจำกัด โดยเราเรียกว่าแรงเสียดทานสถิตสูงสุด fs(max) หากเราออกแรงมากกว่าขีดจำกัดนี้ วัตถุจะเริ่มไถลไปเรื่อย ๆ
• สูตรคำนวณ:

fs(max)= sN

2. แรงเสียดทานจลน์ (Kinetic Friction)

ใช้สัญลักษณ์ย่อคือ fkเป็นแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่วัตถุกำลังไถลหรือเคลื่อนที่ไปบนผิวสัมผัสแล้ว

• จุดเด่นของแรงเสียดทานจลน์คือมีค่าคงที่เสมอไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไหร่ก็ตาม 
• โดยทั่วไป แรงเสียดทานจลน์จะมีค่าน้อยกว่าแรงเสียดทานสถิตสูงสุดเสมอ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมตอนที่เราเริ่มผลักตู้ใบหนัก ๆ ตอนแรกจะรู้สึกฝืดมาก แต่พอตู้ขยับแล้วเราจะรู้สึกว่าผลักได้ง่ายขึ้น

สูตรคำนวณ:

fk= kN

เจาะลึกค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน

จากสูตรด้านบน น้อง ๆ จะเห็นตัวแปร (มิว) ซึ่งก็คือ สัมประสิทธิ์ความเสียดทาน ค่านี้เป็นตัวแปรสำคัญที่โจทย์มักจะกำหนดมาให้ หรือให้เราหา ซึ่งจะเป็นค่าที่บอกถึง "ความหยาบ" หรือ "ความฝืด" ระหว่างผิวสัมผัสคู่นั้น ๆ ยิ่งค่า มาก แสดงว่าผิวนั้นฝืดมาก โดยแบ่งตามประเภทแรงเสียดทานได้ดังนี้

• สัมประสิทธิ์ความเสียดทานสถิต (s) : เป็นตัวเลขที่บอกว่าผิวสัมผัสคู่นั้นเกาะกันแน่นแค่ไหนก่อนที่วัตถุจะหลุดจากกันและเริ่มเคลื่อนที่ ใช้คำนวณหาแรงเสียดทานสถิตสูงสุดเท่านั้น
• สัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ (k) : เป็นตัวเลขที่บอกว่าเมื่อวัตถุไถลไปแล้ว ผิวสัมผัสนั้นมีความฝืดมากน้อยแค่ไหน ใช้คำนวณหาแรงเสียดทานจลน์

ข้อควรระวัง : ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่มาสัมผัสกัน เช่น ไม้กับพื้นปูน, ยางกับยางมะตอย แต่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวสัมผัส

การวิเคราะห์แรงบนพื้นเอียง 

เมื่อโจทย์ถูกยกระดับขึ้นมาอยู่บนพื้นเอียง น้อง ๆ หลายคนอาจเริ่มสับสนว่าจะใส่แรงเสียดทานยังไงดี สรุปง่าย ๆ คือ ให้น้อง ๆ จำสเต็ปการวิเคราะห์ใน 3 ขั้นตอน ดังนี้

1. แตกแรงน้ำหนัก : น้ำหนัก mg จะชี้ดิ่งลงพื้นโลกเสมอ ให้เราแตกแรง mg ออกเป็น 2 แกน
1. แกนขนานกับพื้นเอียง : มีค่าเท่ากับ mg sin โดยแรงนี้พยายามดึงวัตถุให้ไถลลงมา)
2. แกนตั้งฉากกับพื้นเอียง : มีค่าเท่ากับ mg cos โดยแรงนี้จะกดทับผิวสัมผัส
2. หาแรง N (Normal Force) : แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก N จะมีทิศตั้งฉากกับพื้นเอียง ชี้ออกจากพื้น หากไม่มีแรงอื่นมากระทำในแนวตั้งฉาก ซึ่งค่าที่เราจะได้คือ N= mg cos
3. ใส่แรงเสียดทาน : ดูว่าวัตถุมีแนวโน้มจะไถลไปทางไหน แรงเสียดทานจะชี้สวนทางเสมอ เช่น ถ้าวัตถุกำลังไถลลง แรงเสียดทานจะชี้ขึ้นไปตามพื้นเอียง แล้วค่อยนำไปเข้าสมการกฎของนิวตัน F=ma หรือ F=0

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีทำ

เพื่อให้เห็นภาพการประยุกต์ใช้ทฤษฎีในห้องสอบจริง เรามาดูตัวอย่างโจทย์ 3 ข้อจากภาพประกอบที่แนบมากันเลย น้อง ๆ สามารถดูภาพและอ่านคำอธิบายทีละสเตปไปพร้อมกันได้เลย

โจทย์ข้อที่ 1 : การเช็กความเข้าใจเรื่องการปรับตัวของแรงเสียดทานสถิต

วิเคราะห์โจทย์ : โจทย์กำหนดวัตถุมวล 20 กิโลกรัม วางบนพื้นราบ มีค่า s=0.4และ k=0.2จากข้อมูลนี้ เรามาหา "แรงเสียดทานขีดจำกัด" และ "แรงเสียดทานขณะเคลื่อนที่" เตรียมไว้ก่อนเลย โดยกำหนดให้ g=10m/s2

• แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก N=mg=2010=200N
• แรงเสียดทานสถิตสูงสุด

fs(max)= sN=(0.4)(200)=80N

• แรงเสียดทานจลน์ 

fk= kN=(0.2)(200)=40N

ตรวจสอบตัวเลือก : ข้อนี้เป็นแนววิเคราะห์ข้อความ จึงต้องเช็กทีละข้อ

• ข้อ ก. ออกแรงดึง 50 นิวตัน ซึ่ง 50 < 80 วัตถุยังไม่เคลื่อนที่ ดังนั้นแรงเสียดทานต้องปรับตัวให้เท่ากับแรงดึง คือ fs=50N แต่โจทย์บอกว่ามีขนาด 80 นิวตัน จึงผิด 
• ข้อ ข. ออกแรงดึง 80 นิวตัน เท่ากับแรงเสียดทานสถิตสูงสุดพอดี วัตถุกำลังจะเริ่มเคลื่อนที่ แรงเสียดทานมีขนาด 80 N ดังนั้น ข้อความนี้จึงถูกต้อง
• ข้อ ค. ออกแรงดึง 100 นิวตัน วัตถุเคลื่อนที่แล้ว ต้องใช้แรงเสียดทานจลน์ ซึ่งเราคำนวณไว้คือ 40 N ข้อความนี้จึงถูกต้อง
• ข้อ ง. วางวัตถุไว้เฉย ๆ ไม่มีแรงดึง วัตถุไม่มีแนวโน้มจะเคลื่อนที่ จึงไม่มีแรงเสียดทานเกิดขึ้น f=0 ข้อความนี้จึงถูกต้อง

สรุปเรื่องแรงเสียดทานข้อนี้: ข้อความที่ถูกต้องคือ ข, ค และ ง รวมทั้งหมด 3 ข้อ ตรงกับตัวเลือกที่ 3 คือถูกทั้ง 3 ข้อ 

โจทย์ข้อที่ 2 : ระวังโดนหลอกด้วย fs(max)

วิเคราะห์โจทย์ : วัตถุมวล 30 กิโลกรัม วางบนพื้นราบ s=0.6และ k=0.3โดยมีแรงผลัก F=150 นิวตัน ดังนั้น สเตปแรก จึงต้องคำนวณขีดจำกัดสูงสุดออกมาก่อน

• N=mg=3010=300N
• แรงเสียดทานสถิตสูงสุด

fs(max)= sN=(0.6)(300)=180N

• แรงเสียดทานจลน์

fk= kN=(0.3)(300)=90N

สรุปคำตอบ : เราออกแรงผลักแค่ 150 N แต่แรงเสียดทานที่พื้นต้านทานได้สูงสุดถึง 180 N แสดงว่า แรงผลักน้อยกว่าแรงเสียดทานสถิตสูงสุดดังนั้น จากตัวอย่างที่โจทย์ให้มา วัตถุจึงไม่สามารถเอาชนะความฝืดได้ ทำให้วัตถุไม่เคลื่อนที่ ซึ่งคำตอบนี้ตรงกับตัวเลือกที่ 5

โจทย์ข้อที่ 3 : กฎข้อที่ 1 ของนิวตันกับแรงเสียดทาน

วิเคราะห์โจทย์ : โจทย์ข้อนี้มาสั้น ๆ แต่มีคีย์เวิร์ดสำคัญที่น้อง ๆ ห้ามพลาดคือ ถุงทรายถูกดึงและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ (ตาชั่งอ่านค่าแรงดึงได้ 2 N) คำว่า "ความเร็วคงที่" ในทางฟิสิกส์ หมายถึงไม่มีความเร่ง (a=0) ซึ่งไปเข้าเงื่อนไขสมดุลกลตามกฎข้อที่ 1 ของนิวตันเป๊ะ ๆ

F=0

สรุปคำตอบ : เมื่อแรงลัพธ์เป็นศูนย์ แปลว่าแรงที่ดึงไปข้างหน้าต้องมีขนาดเท่ากับแรงต้านที่ดึงไปข้างหลัง พอดี

• แรงดึงไปข้างหน้า (ตาชั่งสปริง) = 2N
• แรงต้านไปข้างหลัง (วัตถุกำลังเคลื่อนที่ จึงเป็นแรงเสียดทานจลน์ fk )
• เมื่อเข้าสมการจะได้: Fpull=fk ดังนั้น fk=2N

เมื่อเราทราบแล้วว่าแรงเสียดทานจลน์มีค่าเท่ากับ 2 N คำตอบจึงตรงกับ ตัวเลือกที่ 2

การเข้าใจเรื่องแรงเสียดทานและการวาด Free Body Diagram ให้คล่องถือเป็นบัตร Fast Pass ที่จะช่วยให้น้อง ๆ ปลดล็อกโจทย์กลศาสตร์ในห้องสอบ A-Level ได้อย่างมั่นใจ แต่ในข้อสอบจริงที่กดดันและมีเวลาจำกัด การสรุปเรื่องแรงเสียดทานโดยจำได้แค่สูตรอาจยังไม่พอเอาตัวรอด ถ้าน้อง ๆ ยังรู้สึกว่าตัวเองวิเคราะห์แรงไม่แม่น เจอโจทย์พื้นเอียงหรือรอกแล้วยังสับสน หรือกังวลว่าจะทำข้อสอบไม่ทันเวลา สามารถมาอัปเลเวลความพร้อม เพื่อปูพื้นฐานให้แน่นปึ้กกับคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย ของ Applied Physics ได้เลย โดยที่นี่ไม่ได้สอนให้น้อง ๆ นั่งท่องสูตรไปสอบ แต่เราเน้นสอนให้เข้าใจถึงแก่นฟิสิกส์จริง ๆ พาจับจุดสังเกตและวิเคราะห์โจทย์ พร้อมเทคนิคคิดลัดและตะลุยโจทย์ที่เคยออกสอบจริง เพื่อให้น้อง ๆ มองภาพออกทันทีที่เห็นโจทย์ อีกทั้งน้อง ๆ ยังสามารถเลือกเรียนได้อย่างอิสระ ทั้งแบบเรียนสด หรือจะจัดสรรเวลาเรียนออนไลน์ง่าย ๆ ทุกที่ทุกเวลาผ่านแอป AP Classroom

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติมได้ที่

• โทร: 02-3060867, 02-3060868, 02-3060869, 085-4925599
• LINE: @appliedphysics (มี @ ด้วยนะ)

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการสรุปฟิสิกส์เรื่องแรงเสียดทาน (FAQs)

Q : พื้นที่ผิวสัมผัสมีผลต่อขนาดของแรงเสียดทานหรือไม่ เช่น วางกล่องแนวนอนกับแนวตั้ง ความฝืดจะเท่ากันไหม ?

A : ตามกฎแรงเสียดทานที่เรียนในระดับ ม.ปลาย พื้นที่ผิวสัมผัส "ไม่มีผล" ต่อขนาดของแรงเสียดทาน ไม่ว่าจะวางกล่องในแนวนอน หรือจับกล่องตั้งขึ้น หากมวลของกล่องและชนิดของผิวสัมผัสยังเป็นชนิดเดิม แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นบนพื้นก็จะมีค่าเท่ากันเสมอ

Q : แรงเสียดทานมีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอไปเลยหรือเปล่า ?

A : ไม่เสมอไป นี่คือจุดที่หลายคนโดนหลอก นิยามที่แท้จริงคือ แรงเสียดทานจะมีทิศ "ตรงข้ามกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างผิวสัมผัส" แต่ในบางกรณี แรงเสียดทานก็เป็นตัวทำให้เราเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ ยกตัวอย่างเช่น การเดิน" เวลาเราก้าวเดิน เท้าเราจะพยายามไถลไปด้านหลัง พื้นจึงออกแรงเสียดทานสถิตดันเท้าเราไป "ด้านหน้า" ทำให้เราสามารถก้าวเดินไปข้างหน้าได้นั่นเอง

Q : ทำไมเวลาเราพยายามผลักตู้ใบหนัก ๆ ตอนที่ตู้กำลังจะขยับถึงรู้สึกว่าต้องออกแรงมากกว่าตอนที่ตู้ไถลไปแล้ว ?

A : เพราะโดยธรรมชาติของผิวสัมผัส "แรงเสียดทานสถิตสูงสุดจะมีค่ามากกว่าแรงเสียดทานจลน์" เสมอ ตอนที่ตู้ยังนิ่งอยู่ ร่องรอยความขรุขระระดับไมโครของผิวสัมผัสจะขบกันแน่นที่สุด เราจึงต้องออกแรงมากเพื่อเอาชนะขีดจำกัดนี้ แต่พอตู้เริ่มไถลไปแล้ว ผิวสัมผัสจะไม่มีเวลาตกลงไปขบกันลึกเท่าเดิม ความฝืดจึงลดลงทำให้เราผลักต่อไปได้ง่ายขึ้นด้วยแรงที่น้อยลง

Q : ถ้าวัตถุไถลไปบนพื้นด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แรงเสียดทานจลน์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วด้วยไหม ?

A : ในขอบเขตของฟิสิกส์ระดับ ม.ปลาย เราถือว่าแรงเสียดทานจลน์ "ไม่มีความเกี่ยวข้องกับความเร็ว" ไม่ว่าวัตถุจะไถลด้วยความเร็ว 2 m/s หรือ 20 m/s ตราบใดที่ชนิดของผิวสัมผัสและแรงกดยังเหมือนเดิม แรงเสียดทานจลน์ที่ต้านการเคลื่อนที่ก็จะมีค่าคงที่เท่าเดิมเสมอ