เนื้อหา

     เมื่อปล่อยวัตถุมวล m จากที่สูงให้ลงมาตามรางรูปวงกลมในระนาบดิ่ง เมื่อไม่คิดแรงเสียดทานของราง วัตถุจะเปลี่ยนพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานจลน์ วัตถุจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อลงมาต่ำกว่าจุดปล่อยวัตถุมากขึ้น ขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ถึงจุดต่ำสุดของวงกลม วัตถุจะมีความเร็วมากที่สุด แรงที่กระทำต่อวัตถุขณะนี้ จะมี 2 แรง คือ น้ำหนักของวัตถุ mg ทิศลงสู่พื้น และแรงที่รางดันวัตถุ N ทิศตั้งฉากกับรางวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมต้องมีแรงกระทำต่อวัตถุในทิศเข้าสู่ศูนย์กลาง ดังนั้น ขณะวัตถุเคลื่อนที่ผ่านจุดต่ำสุดของวงกลม แรงที่ทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางจะหาได้จาก

     ขณะวัตถุผ่านจุดต่ำสุด จะเห็นได้ว่า แรงที่รางดันวัตถุจะมีขนาดมากกว่าน้ำหนักของวัตถุจึงจะมีแรงลัพธ์ในทิศเข้าสู่ศูนย์กลาง   หรือวัตถุจะต้องกดรางลงไปด้วยแรงที่มากกว่าน้ำหนักของวัตถุนั่นเอง
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ต่อไปหาจุดสูงสุดของวงกลม ความเร็วของวัตถุจะลดลง ถ้าความเร็วของวัตถุน้อยเกินไปวัตถุจะขึ้นไปไม่ถึงจุดสูงสุด ดังนั้นขณะผ่านจุดสูงสุดของวงกลม วัตถุต้องมีความเร็วสูงพอ เพื่อให้ใช้แรงเข้าสู่ศูนย์กลางมากกว่าน้ำหนักของวัตถุ  โดยวัตถุจะดันรางขึ้นไป ทำให้เกิดแรงที่รางดันวัตถุ  N  ทิศลงสู่พื้นรวมกับน้ำหนักวัตถุ mg  ได้แรงลัพธ์ที่ทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลาง นั่นคือ ขณะวัตถุเคลื่อนที่ผ่านจุดสูงสุดของวงกลมในระนาบดิ่ง แรงที่ทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางจะหาได้จาก

     กรณีนี้จะเกิดได้เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ผ่านจุดสูงสุดด้วยความเร็วสูงเกินค่าหนึ่ง ค่านั้นคือค่าความเร็วที่พอดีกับการใช้น้ำหนัก mg เพียงอย่างเดียวทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ด้วยความเร็วค่านี้ ขณะผ่านจุดสูงสุดวัตถุจะแค่สัมผัสกับรางเท่านั้นโดยไม่กดติดกับตัวราง
     เครื่องเล่นประเภทรถไฟเหาะตีลังกาที่เรารู้จักกัน จะใช้หลักการเคลื่อนที่เป็นวงกลมในระนาบดิ่งของวัตถุทั้งสิ้น ขณะเครื่องเล่นเคลื่อนที่ผ่านจุดสูงสุดด้วยความเร็วสูงผู้เล่นจะยิ่งปลอดภัย เพราะ น้ำหนัก mg จะไม่เพียงพอต่อการเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ทำให้ผู้เล่นจะกดอัดตัวเข้ากับที่นั่งมากขึ้นเพื่อให้เกิดแรง N มาช่วยน้ำหนักmg ให้เพียงพอต่อการทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางนั่นเอง

 

     เครื่องเล่นในสยามพาร์คซิตี้ที่ใช้หลักการนี้มีหลายเครื่อง เช่น Boomerang ซึ่งเป็นรถไฟเหาะตีลังกาทั้งเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและถอยหลัง  มีการใช้เครื่องยนต์ไฟฟ้าดึงรถไฟขึ้นบนที่สูงจนได้ระยะเพียงพอเท่านั้น หลังจากนั้นจะปล่อยให้วิ่งลงมาด้วยแรงดึงดูดของโลก ไปตามรางที่วนเป็นวงกลมในระนาบดิ่ง หรือ เครื่องเล่นที่เรียกว่า Vortex ซุปเปอร์เกลียวเหาะมหาสนุก ก็เช่นเดียวกันใช้หลักการเดียวกับรถไฟเหาะตีลังกา แต่ที่นั่งของผู้เล่นแยกเป็นอิสระ ไม่ติดอยู่กับขบวนรถ ทำให้ตื่นเต้นมากขึ้นในขณะเคลื่อนที่เครื่องเล่นอีกชนิดหนึ่งที่ใช้หลักการเคลื่อนที่เป็นวงกลมในระนาบดิ่ง คือ Enterprise กระเช้าสายรุ้ง  ซึ่งใช้มอเตอร์ไฟฟ้า หมุนให้ผู้เล่นเคลื่อนที่เป็นวงกลมในระนาบระดับ และเมื่อมีความเร็วสูงพอก็จะยกแกนหมุนขึ้นจนเป็นการเคลื่อนที่แบบวงกลมในระนาบดิ่ง


วิดีทัศน์ เรื่อง Boomerang


วิดีทัศน์ เรื่อง Vortex ซุปเปอร์เกลียวเหาะมหาสนุก


วิดีทัศน์ เรื่อง Enterprise กระเช้าสายรุ้ง 

คำถาม
     - เครื่องเล่นแต่ละชนิด เคลื่อนที่โดยใช้แหล่งพลังงานใดบ้าง

     - แรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่ทำให้มีการเคลื่อนที่เป็นวงกลมของเครื่องเล่นแต่ละชนิดมาจากที่ใด
     - Boomerang และ Vortex ซุปเปอร์เกลียวเหาะมหาสนุก หยุดการเคลื่อนที่ได้โดยวิธีใด

 

เอกสารอ้างอิง
ภาพจาก http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1350/06CirMtn/VertCircle.html