คุณคงเคยได้ยินคำว่า "แรง" ที่ใช้กันทุกรูปแบบ ส่วนใหญ่ไม่มีคำจำกัดความ ("สนามพลัง" "แรงของสนามแม่เหล็ก") หรือไม่เกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์กายภาพ ("การเล่นด้วยกำลัง" "การต่อสู้ บังคับ.")
แรงในฟิสิกส์คือสิ่งที่ทำหน้าที่เร่งความเร็วบางอย่างที่มีมวล มีสมการจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับแรงกับปริมาณอื่นๆ เช่น งาน ความดัน และพลังงาน แต่พื้นฐานที่สุดคือF = หม่าซึ่งระบุว่ามวลมประสบกับความเร่งเมื่ออยู่ภายใต้แรงสุทธิFกระทำการในทิศทางที่กำหนดด้วยขนาดที่กำหนด
เนื่องจากการรู้ค่าเฉพาะของแรงเป็นสิ่งสำคัญในงานวิศวกรรมและอุตสาหกรรมอื่นๆ ทั่วโลก เครื่องมือสำหรับกำหนดแรงที่แม่นยำจึงหาได้ง่าย
หน่วยของแรง
หน่วยแรง SI (เมตริก) คือนิวตัน (N) ในขณะที่หน่วย SI ของมวลและความเร่งคือกิโลกรัม (กก.) และเมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/s)2). ดังนั้น N เป็นหน่วยที่ได้รับ และแปลเป็น kg m/s2.
เนื่องจากสนามโน้มถ่วงใด ๆ มีแนวโน้มที่จะเร่งมวลทั้งหมดที่เอื้อมถึง ผลที่ได้คือสิ่งที่มนุษย์เรียกว่าน้ำหนักในชีวิตประจำวัน ดังนั้นมาตราส่วนครัวเรือนหรือสโมสรสุขภาพจึงเป็นเครื่องวัดแรงชนิดต่างๆ เพราะในขณะที่แสดงมวลของคุณเป็นกิโลกรัม (หรือน้ำหนักเทียบเท่าของคุณเป็นปอนด์) ที่จริงแล้วมาตรการน้ำหนักของคุณเป็นผลมาจากแรงโน้มถ่วง บนโลก เท่ากับ 9.81 m/s2.
กฎของฮุก
เครื่องวัดแรงส่วนใหญ่ที่คุณมักจะพบนั้นใช้ประโยชน์จากหลักการที่เรียกว่ากฎของฮุก ซึ่งตั้งชื่อตามโรเบิร์ต ฮุก ซึ่งผลงานของเขา ในยุค 1600 ครอบคลุมฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และแทบทุกสาขาของการสอบสวนในช่วงเวลาของวิทยาศาสตร์อย่างรวดเร็วนี้ ความคืบหน้า
กฎหมายระบุว่าแรงที่ต้องใช้ในการยืดวัสดุยืดหยุ่น (เช่น สปริง) ระยะทางที่กำหนดเป็นสัดส่วนกับระยะทางที่สปริงยืดออกจากจุดสมดุล:
เครื่องหมายลบแสดงว่ากำลังคัดค้านความยืดซึ่งมีขนาดเท่ากันแต่ระยะทางตรงข้ามกันอย่างแม่นยำ
การประยุกต์กฎของฮุกนอกเหนือจากเครื่องวัดแรง
กฎของฮุคถูกนำไปใช้ในทุกสาขาของวิศวกรรมและการก่อสร้าง คุณสามารถตั้งชื่อหรือจินตนาการได้ ในยุคแรกๆ ของการทำนาฬิกา สปริงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานที่แม่นยำ เนื่องจากการบอกเวลาในศตวรรษที่ 17 และ 18 ยังไม่เป็นเรื่องของการซิงโครไนซ์ GPS
กฎของฮุคได้ถูกนำมาใช้ในการสร้างมาโนมิเตอร์ (เกจวัดความดัน) อุปกรณ์ในโลกของ อะคูสติกและแผ่นดินไหว และในขณะที่ศตวรรษที่ 21 ดำเนินไป ในการใช้งานนาโนเทคโนโลยีเช่นกัน แต่ประโยชน์ของมันในเครื่องวัดแรงแบบธรรมดาอาจเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการอธิบายแม้กระทั่งทุกวันนี้
เครื่องวัดแรง: สปริงมิเตอร์
กฎของฮุคสามารถใช้ได้กับสปริงบนพื้นผิวแนวนอน ดังนั้นแรงที่กระทำกับวัตถุโดยแรงโน้มถ่วงจะสมดุลด้วยแรงขึ้นของพื้นผิว (แรงตั้งฉาก) หากแรงที่ต้องการยืดสปริง 1.5 ม. คือ 300 N คุณสามารถคำนวณได้kในกฎของฮุค theค่าคงที่สปริง:
F=-kx\หมายถึง 300\ข้อความ{ N}=k (1.5\ข้อความ{ m})\นัย k = 200\ข้อความ{N/m}
อาเครื่องวัดแรงแทนที่จะเป็นโครงสร้างแนวตั้ง และมีสปริงที่ได้รับการสอบเทียบเพื่อให้มวลอยู่ภายใต้ แรงโน้มถ่วงของโลกจะเคลื่อนสปริงลงจากตำแหน่งพัก (สมดุล) โดยรู้ค่าคงที่ known จำนวนเงิน ดังนั้น มวล 10 กก. จึงมีน้ำหนัก (1 กก.)(9.81 ม./วินาที2) = 98.1 N และสามารถติดฉลากเครื่องวัดแรงได้ตามหลักการนี้
โปรดทราบว่าในการที่จะยืดสปริงหรือวัตถุยืดหยุ่นใดๆ ได้เป็นสองเท่าของระยะทางที่มันถูกยืดออกไปแล้ว ต้องใช้แรงสองเท่าและอื่นๆ ตามที่กำหนดโดยกฎของฮุค ในความเป็นจริง ไม่มีวัสดุใดที่ยืดหยุ่นได้อย่างสมบูรณ์ และสปริงทั้งหมดพังลงไม่ว่าจะโดย "การสึกหรอ" หรือแตกหักอย่างเจ็บปวดภายใต้ความเครียดหรือความเครียดที่เพียงพอ
