การแก้ปัญหาของวัตถุการกลิ้ง
เรียบเรียงโดย อาจารย์ภรวัฏ ธนกิติวิรุฬ (10/02/2563)
จากรูป เป็นการกลิ้งโดยไม่ไถลของวัตถุทรงกลมตันมวล M มีรัศมี R บนพื้นเอียงลื่น ที่มีความสูง H และทำมุม q กับแนวระดับ โดยวัตถุทรงกลมตันนี้เริ่มกลิ้งจากหยุดนิ่ง ที่ความสูง H หากเราต้องการจะหาค่าความเร็วของวัตถุทรงกลมตันเมื่อกลิ้งลงถึงขอบด้านล่างของพื้นเอียง ว่ามีค่าเท่าไร เราสามารถหาความเร็วของวัตถุนี้ที่ขอบด้านล่างของพื้นเอียงโดยใช้ กฎการอนุรักษ์พลังงาน กับพลังงานศักย์ที่สะสมอยู่ในทรงกลม พลังงานจลน์ของการหมุนและพลังงานจลน์ในการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุทรงกลมนี้ โดยพลังงานทั้งหมดที่ตำแหน่งใดๆ ที่ความสูง y เหนือฐานของพื้นเอียงจะเป็น
เมื่อ v เป็นความเร็วที่ตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุทรงกลม และ Mgy เป็นค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง เมื่อเราใช้กฎการอนุรักษ์พลังงาน เราจะให้พลังงานทั้งหมดที่ตำแหน่งเริ่มต้นของการกลิ้ง(y = H, v = 0, w = 0) มีค่าเท่ากับพลังงานทั้งหมดที่ตำแหน่งขอบที่ฐานของพื้นเอียง(y = 0) ดังนั้น
โมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทรงกลมตัน รอบแกนหมุนซึ่งลากผ่านจุดศูนย์กลางมวล
และเมื่อเป็นการหมุนเพียงอย่างเดียว v = wr ดังนั้น
เมื่อแก้สมการจะได้ ความเร็วที่ขอบที่ฐานของพื้นเอียงเป็น
หากเราเปลี่ยนวัตถุที่นำมากลิ้งจากทรงกลมเป็นวัตถุอื่นเช่น ทรงกระบอกตัน ทรงกระบอกกลวง เป็นต้น ค่าความเร็วของวัตถุก็จะมีค่าไม่เท่ากัน นั้นคือ หากเราต้องการสร้างวัตถุที่กลิ้งช้าที่สุดเราจะต้องคำนึงถึง ค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุ
จากรูปที่ 2 หากเราต้องการวัตถุที่กลิ้งช้าที่สุดเราควรสร้างวัตถุกลิ้งจากห่วงทรงกระบอกบาง ที่มีแกนหมุนผ่านจุดศูนย์กลางของแหวนทรงกระบอกบาง เนื่องจากมีค่าโมเมนต์ความเฉื่อยมากที่สุด นอกจากนี้ ความเร็วของวัตถุที่กลิ้งไม่ขึ้นกับมวลของวัตถุ กล่าวคือหาก เป็นวัตถุรูปทรงเดียวกันสองชิ้น ทำจากวัสดุเดียวกันแต่ มวลไม่เท่ากัน วัตถุทั้งสองชิ้นจะกลิ้งถึงขอบที่ฐานของพื้นเอียง ที่เวลาเดียวกัน และหากวัตถุมีค่าโมเมนต์ความเฉื่อยที่มากเกินไป วัตถุนั้นอาจจะไม่กลิ้ง และกลายเป็นการเคลื่อนที่แบบไถลได้
ปัญหาทางฟิสิกส์เช่นนี้เราสามารถนำมาประยุกต์ใช้และสร้างเป็นกิจกรรมเพื่อฝึกฝนทักษะการคิดเชิงเหตุผลหรือ critical thinking โดยจัดให้นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์สร้างวัตถุกลิ้งช้าจากแกนกระดาษทิชชูและนำมาแข่งขันกัน ดังเช่นในงานเปิดโลกวิศวกรรม ในปีการศึกษา 2561 และ 2562 ที่ผ่านมา ซึ่งทางภาควิชาฟิสิกส์ได้เห็นถึงศักยภาพในการค้นคว้าและการคิดเชิงเหตุผลของนักศึกษาเป็นจำนวนมาก ซึ่งนี้ก็เป็นตัวอย่างของการใช้ปัญหาเป็นฐานเพื่อพัฒนาทักษะที่จำเป็นต่อการเรียนรู้ของนักศึกษา