ทฤษฎีทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้อง

        เรื่อง “ ครกกระเดื่อง ”  เกี่ยวข้องกับทฤษฎีทางฟิสิกส์เรื่อง  คาน

        คาน  เป็นเครื่องกล  ที่ช่วยให้เราทำงานง่ายมากขึ้น  เป็นเครื่องผ่อนแรงขั้นพื้นฐาน  ซึ่งมีความสำคัญมากที่สุดแบบหนึ่ง  คานงัดไม่จำเป็นจะต้องมีลักษณะเป็นคานตรงแบบกระดานกระดกในสนามเด็กเล่นเสมอไป  หลักสำคัญคือ  คานงัดจะต้องประกอบด้วยแขนรับแรงสองข้างยื่นออกไปจากจุดค้ำ  แขนข้างสั้นรับแรงต้านทานและแขนข้างยาวรับแรงพยายามอาร์คีมีดีส  นักปราชญ์กรีกโบราณกล่าวไว้ว่า “ ถ้าฉันมีจุดค้ำและคานงัดที่ต้องการได้ละก็ ฉันจะงัดโลกให้ลอยขึ้น ” คำกล่าวนี้แสดงว่า  เขามีความเข้าใจในหลักเกณฑ์ของคานงัดดีเพียงใด  แม้จะเป็นเรื่องที่ไม่อาจทำได้ก็ตาม  ตัวอย่าง  เครื่องชั่งชนิดแขนเดียวก็คือ  เครื่องมือที่ใช้หลักเกณฑ์ของคานงัดนั่นเอง  ถ้าแขนข้างยาวของคันชั่งซึ่งแบ่งออกเป็นช่องเท่า ๆ  กันมีความยาวเป็น 10 เท่า ของแขนข้างสั้น  ใช้ตุ้มน้ำหนักเพียง 10  กิโลกรัม  แขวนที่ปลายแขนข้างสั้นไว้ได้พอดี  โดยคานจะอยู่นิ่งไม่ตีปัดไปข้างใดข้างหนึ่ง  ในลักษณะที่เรียกว่า สมดุล  แต่ถ้าเลื่อนน้ำหนักบนคันชั่งไปแขวนไว้ที่กึ่งแขนข้างยาวคือช่องที่ 5  จากจุดค้ำคันชั่งก็ชั่งสิ่งของได้เพียง 50  กิโลกรัม  จากตัวอย่างนี้  เราได้หลักเกณฑ์ว่าผลคูณของน้ำหนักและระยะทางจากจุดค้ำในแต่ละข้าง  มีค่าเท่ากันในขณะเมื่อคานนั้นสมดุล  ผลคูณของแรง และ ระยะตั้งฉากจากแรงไปยังจุดค้ำเรียกว่า โมเมนต์  ถ้าเราจะเรียก R  เป็นแรงต้านทานและ P เป็นแรงพยายามซึ่งมีระยะจากจุดค้ำเป็น a และ b  ตามลำดับ  ก็อาจแสดงกฎเกณฑ์ของคานงัดเป็นสูตรคณิตศาสตร์ได้ดังนี้

R x a = P x b

           ตามหลักสูตรนี้มีค่าอยู่สี่จำนวน  ถ้าหากรู้ค่าสามค่าในจำนวนนี้ก็อาจหาค่าที่เหลือได้ เช่น ให้ R เป็นน้ำหนักข้าวสารหนึ่งกระสอบหนัก 100 กิโลกรัม  แขวนห่างจากจุดค้ำ = 10 เซนติเมตร  และแขนของแรงพยายามยาว b = 200 เซนติเมตร  ดังนั้น

100 x 10 = P x 200

ค่าของแรงพยายาม P = ( 100 x 10 ) / 200 = 5 กิโลกรัม

          เราได้หลักเกณฑ์จากตัวอย่างนี้ว่า  การใช้คานงัดผ่อนแรง  จะต้องให้จุดค้ำอยู่ใกล้กับแรงต้านทานและอยู่ห่างจากแรงพยายามมาก ๆ ถ้าลองมองหาเครื่องใช้ในบ้านดูว่ามีอะไรที่ใช้หลักคานงัดบ้าง  คีมตัดลวด  ค้อนถอนตะปูและครกกระเดื่อง ซึ่งใช้สำหรับตำข้าวในชนบท  ครกกระเดื่องสำหรับเด็กฝึกเล่นก็คือเครื่องผ่อนแรงแบบคานงัดทั้งนั้น

        ในบางจังหวัดที่ยังไม่มีน้ำประปาใช้  ต้องใช้น้ำจากบ่อลึก ๆ  เราจะเห็นชาวบ้านใช้คันช่อสำหรับตักน้ำจากบ่อ  ปลายข้างหนึ่งของคันช่อแขวนถังน้ำอีกปลายข้างหนึ่งใช้ของหนัก ๆ เช่น ท่อนไม้ถ่วงไว้  น้ำหนักนี้เรียกว่า น้ำหนักถ่วงดุล  คันช่อก็คือคานงัดซึ่งช่วยผ่อนแรงเวลาคนสาวถังน้ำขึ้นจากบ่อหลักการเดียวกันนี้ใช้กับการปิดเปิดสะพานช่องกระดก  เช่น  สะพานพระพุทธยอดฟ้า ฯ และสะพานกรุงเทพฯ ซึ่งมีช่วงที่เปิดปิดให้เรือใหญ่ผ่านเข้าออกในแม่น้ำเจ้าพระยาได้  น้ำหนักถ่วงดุลของสะพานใช้แท่งคอนกรีตและเหล็ก  โมเมนต์ของน้ำหนักถ่วงดุลมีค่าน้อยกว่าโมเมนต์ของช่วงสะพานเปิดเพียงเล็กน้อย  ดังนั้นจึงต้องการแรงเพิ่มจากมอเตอร์ไฟฟ้าช่วยหมุนเฟืองอีกเพียงเล็กน้อย  ก็สามารถเปิดปิดช่วงสะพานซึ่งมีน้ำหนักข้างละร่วมสองร้อยต้นได้โดยง่าย

 

โมเมนต์

โมเมนต์ ( M )   =  แรง x ระยะทางตั้งฉากจากจุดหมุนถึง แนวแรง หน่วยเป็นนิวตัน – เมตร ( N-m )

M = F x L

 

          โมเมนต์ของแรงคู่ควบ – เมื่อมีแรงคู่ควบกระทำต่อวัตถุ  วัตถุจะเกิดการหมุน  ดังนั้นโมเมนต์แรงคู่ควบ  หาจาก แรง 1 แรง ระยะทางตั้งฉากระหว่างแนวแรง

          การได้เปรียบเชิงกล ( MA ) คือ  อัตราส่วนของแรงที่ได้จากเครื่องกล  กับแรงที่ให้กับเครื่องกล

MA  = 

F0   =  แรงที่ได้จากเครื่องกล

            F1    = แรงที่ให้กับเครื่องกล

 

ประโยชน์ที่จะได้รับคือ

1. ให้เด็กได้ฝึกการกำมือ

2. ฝึกการประสานงานของมือและตา

3. ฝึกการเหยียดข้อสะโพก  ข้อเข่า  รวมทั้งเป็นการออกกำลังของมือแขน – ขา

4. ฝึกการใช้ข้อเท้าเพื่อกันข้อติด

5. ฝึกการยืนทรงตัว

6. ฝึกการถ่ายเทน้ำหนักของขาทั้ง 2 ข้าง

7. ฝึกการเรียนรู้ซ้าย – ขวา หนัก – เบา และ ช้า – เร็ว

8.ช่วยในการสีข้าวของคนโบราณ  และยังช่วยในการประหยัดไฟฟ้าได้ด้วย