แรงบิดคือผลของแรงที่ทำให้วัตถุมีแนวโน้มหมุนรอบจุดหมุนหรือแกนหมุน ในฟิสิกส์เบื้องต้น ขนาดของแรงบิดจากแรงหนึ่งแรงคือ

τ=rFsin⁡θ\tau = rF\sin\theta

โดยที่ rr คือระยะจากจุดหมุนไปยังจุดที่ออกแรง, FF คือขนาดของแรง และ θ\theta คือมุมระหว่างแนวรัศมีกับแรง แนวคิดสำคัญคือ มีเพียงส่วนของแรงที่ตั้งฉากเท่านั้นที่ทำให้เกิดการหมุน ถ้าแรงชี้ตรงเข้าหาหรือออกจากจุดหมุน จะได้ว่า θ=0\theta = 0 และแรงบิดมีค่าเป็น 00

แรงบิดหมายถึงอะไรแบบเข้าใจง่าย

แรงบิดคือเวอร์ชันการหมุนของความแรงในการผลัก แรงบิดที่มากกว่าหมายถึงแนวโน้มที่จะทำให้วัตถุหมุนได้แรงกว่า

แรงบิดจะมากขึ้นเมื่อ:

  1. แรงมีขนาดมากขึ้น
  2. ระยะจากจุดหมุนมากขึ้น
  3. ออกแรงให้เกือบตั้งฉากกับแนวรัศมีมากขึ้น

นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมประตูจึงเปิดง่ายกว่าเมื่อผลักใกล้ลูกบิดมากกว่าผลักใกล้บานพับ แรงเท่าเดิมจะให้ผลในการหมุนมากกว่าเมื่อแขนโมเมนต์ยาวกว่า

สูตรแรงบิด: แต่ละส่วนทำหน้าที่อย่างไร

คุณสามารถอ่าน

τ=rFsin⁡θ\tau = rF\sin\theta

เป็น 3 แนวคิดแยกกันได้ดังนี้:

  • rr: ออกแรงไกลจากจุดหมุนแค่ไหน
  • FF: แรงมีขนาดเท่าไร
  • sin⁡θ\sin\theta: มีแรงส่วนใดบ้างที่ตั้งฉากกับแนวรัศมี

อีกรูปแบบหนึ่งที่มีประโยชน์คือ

τ=rF⊥\tau = rF_{\perp}

โดยที่ F⊥F_{\perp} คือองค์ประกอบของแรงที่ตั้งฉากกับแนวรัศมี วิธีนี้มักเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการคิดโจทย์

ในหน่วย SI แรงบิดวัดเป็นนิวตัน-เมตร เขียนเป็น N⋅m\mathrm{N \cdot m} แม้ว่าจะมีมิติเดียวกับพลังงาน แต่ไม่ใช่ปริมาณทางฟิสิกส์ชนิดเดียวกัน แรงบิดอธิบายผลในการหมุน ไม่ใช่พลังงานที่เก็บสะสมหรือถ่ายโอน

ตัวอย่างทำโจทย์: แรงบิดที่กระทำต่อประตู

สมมติว่าคุณผลักประตูด้วยแรง 25 N25\ \mathrm{N} ที่จุดซึ่งอยู่ห่างจากบานพับ 0.80 m0.80\ \mathrm{m} โดยบานพับคือจุดหมุน

ถ้าคุณผลักตั้งฉากกับประตู จะได้ว่า θ=90∘\theta = 90^\circ และ sin⁡90∘=1\sin 90^\circ = 1 ขนาดของแรงบิดคือ

τ=rFsin⁡θ=(0.80)(25)(1)=20 N⋅m\tau = rF\sin\theta = (0.80)(25)(1) = 20\ \mathrm{N \cdot m}

ดังนั้นประตูจึงได้รับแรงบิด 20 N⋅m20\ \mathrm{N \cdot m}

ตอนนี้ให้ใช้แรงเท่าเดิมและระยะเท่าเดิม แต่ผลักทำมุม 30∘30^\circ กับแนวรัศมี จะได้ว่า

τ=(0.80)(25)sin⁡30∘=(0.80)(25)(0.5)=10 N⋅m\tau = (0.80)(25)\sin 30^\circ = (0.80)(25)(0.5) = 10\ \mathrm{N \cdot m}

แรงยังเท่าเดิม แต่แรงบิดน้อยลง เพราะมีแรงส่วนน้อยลงที่ตั้งฉาก นี่คือแนวคิดหลักที่นักเรียนหลายคนมักพลาด: แรงทั้งหมดไม่ได้มีส่วนทำให้เกิดการหมุนเสมอไป

เมื่อแรงบิดเป็นศูนย์

แรงบิดเป็นศูนย์ได้ในกรณีใดกรณีหนึ่งต่อไปนี้:

  1. ออกแรงที่จุดหมุนพอดี ดังนั้น r=0r = 0
  2. แรงกระทำไปตามแนวรัศมี ดังนั้น θ=0\theta = 0 หรือ 180∘180^\circ

ทั้งสองกรณีนี้ทำให้ไม่มีแขนโมเมนต์สำหรับการหมุน แม้ว่าแรงจะมีขนาดมากก็ตาม

แรงบิดตามเข็มนาฬิกา กับ ทวนเข็มนาฬิกา

ในโจทย์เบื้องต้นหลายข้อ มักกำหนดเครื่องหมายของแรงบิดตามทิศทางการหมุน โดยข้อตกลงที่พบบ่อยคือ:

  1. แรงบิดทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก
  2. แรงบิดตามเข็มนาฬิกาเป็นลบ

การเลือกเครื่องหมายนี้เป็นเพียงข้อตกลง ไม่ใช่กฎฟิสิกส์อีกข้อหนึ่ง ใช้ข้อตกลงตามที่รายวิชาหรือโจทย์กำหนด แต่ต้องใช้ให้สม่ำเสมอ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในสูตรแรงบิด

ใช้ FF แทนองค์ประกอบที่ตั้งฉาก

ถ้าแรงทำมุม โดยทั่วไปคุณจะใช้แค่ rFrF ไม่ได้ คุณต้องใช้ส่วนที่ตั้งฉากของแรง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพจน์ sin⁡θ\sin\theta จึงสำคัญ

วัดระยะจากจุดที่ผิด

ต้องวัดระยะจากจุดหมุนหรือแกนหมุน ถ้าจุดหมุนคือบานพับของประตู ก็ต้องวัดจากบานพับไปยังจุดที่ออกแรง

ลืมว่าแรงที่ผ่านจุดหมุนให้แรงบิดเป็นศูนย์

ถ้าแนวแรงผ่านจุดหมุน แขนโมเมนต์จะเป็นศูนย์ ดังนั้นแรงบิดจึงเป็นศูนย์ แม้ว่าแรงจะมีขนาดมากก็ตาม

สับสนระหว่างแรงบิดกับแรง

แรงสามารถทำให้เกิดการเลื่อนที่ได้ ส่วนแรงบิดทำให้เกิดการหมุน แรงที่มากไม่ได้รับประกันว่าแรงบิดจะมากเสมอไป ถ้าออกแรงใกล้จุดหมุนมากเกินไปหรือออกแรงไปตามแนวรัศมี

แรงบิดถูกใช้ที่ไหนบ้าง

แรงบิดปรากฏในทุกสถานการณ์ที่การหมุนมีความสำคัญ ตัวอย่างที่พบบ่อย ได้แก่:

  1. การเปิดประตู
  2. การใช้ประแจและไขควง
  3. การทรงตัวของไม้กระดกและคาน
  4. การวิเคราะห์มอเตอร์ ล้อ และรอก
  5. การแก้โจทย์พลวัตการหมุนและสมดุลสถิต

ในสมดุลสถิต แรงบิดลัพธ์รอบจุดหมุนที่เลือกต้องเป็นศูนย์ ในพลวัตการหมุน แรงบิดลัพธ์คือสิ่งที่ทำให้การเคลื่อนที่แบบหมุนเปลี่ยนไป

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

ประแจยาว 0.30 m0.30\ \mathrm{m} และคุณออกแรง 40 N40\ \mathrm{N} ตั้งฉากกับประแจ จงคำนวณแรงบิด แล้วเปรียบเทียบกับแรงบิดจากแรงขนาดเท่าเดิมที่กระทำทำมุม 45∘45^\circ การเปรียบเทียบสั้น ๆ นี้จะช่วยให้เห็นบทบาทของมุมได้ชัดเจนขึ้น

ต้องการความช่วยเหลือในการแก้โจทย์?

อัปโหลดคำถามของคุณแล้วรับคำตอบแบบทีละขั้นตอนที่ผ่านการตรวจสอบในไม่กี่วินาที

เปิด GPAI Solver →