นิยาม
kilogram (kg) คือ หน่วยมาตรฐานของมวล เป็นปริมาณ scalar ในอดีตเรานิยามมวล 1 kg เท่ากับ น้ำหนักมวลของน้ำปริมาตร 1 ลิตร ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ในปัจจุบันนิยามด้วยค่าคงที่ทางฟิสิกส์ โดยกำหนดค่า Planck constant (h) ให้เป็นค่าที่แน่นอนค่าหนึ่ง ซึ่งหากไม่ใช่นักฟิสิกส์สมัยใหม่ คงยากจะเข้าใจ แต่อย่างไรก็ตาม 1 kg ก็ยังเป็น 1 kg เหมือนเดิม เพียงเปลี่ยนคำนิยามให้เข้ากับยุคสมัยเท่านั้น
kilogram-force (kgf) คือ หน่วยของแรงหรือน้ำหนัก เป็นปริมาณ vector ค่าแรง 1 kgf หมายถึง มวล 1 กิโลกรัมคูณด้วย g ( g = 9.80665 m/s2) หรือ 1 kgf = 1 kg*g
Newton (N) คือ หน่วยของแรงหรือน้ำหนัก เป็นปริมาณ vector ค่าแรง 1 N หมายถึง มวล 1 กิโลกรัม คูณด้วยความเร่ง 1 m/s2 หรือ 1N = 1kg*m/s2
ความเป็นมา kilogram-force(kgf) และ Newton(N)
ทั้งคู่ต่างเป็นหน่วยของแรง โดย kilogram-force (kgf) ถูกนิยามขึ้นตอนที่เริ่มมีการกำหนดมาตรฐานค่า g ในปี 1901 หลังจากนั้น 12 ปี ในปี 1913 หน่วย Newton (N) ถูกนำเสนอเพื่อเป็นเกียรติ์แก่ Sir Isaac Newton บิดาแห่งฟิสิกส์ยุคเก่า หน่วย Newton ถูกยอมรับใช้งานทั่วไปในปี 1948 จนในปี 1960 ได้มีการกำหนดมาตรฐาน International System of Unit (SI ) ซึ่งใช้หน่วย Newton (N) เป็นหน่วยของแรง หากสนใจรายละเอียดเกี่ยวกับ SI Unit ไปดูตาม link ข้างล่าง จะมีคำอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับคำนิยามหน่วยต่างๆอย่างครบถ้วน
SI Unit Link>>>https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/
ความแตกต่างของ kg กับ kgf (ความแตกต่างของมวลกับแรง)
ตัวอย่างคลาสสิคของกรณีมวลกับแรงคือ การชั่งน้ำหนัก สมมติเราชั่งน้ำหนักคนคนหนึ่งบนโลกอ่านตราชั่งได้ 60 kg นั่นคือ ร่างกายเขามีมวล 60 kg และเขามีน้ำหนัก 60 kgf เช่นกัน อาจเกิดคำถามว่าถ้าอย่างนั้น kg กับ kgf ก็มีค่าเท่ากัน คำตอบคือเหมือนกันเฉพาะบนโลกเท่านั้นเพราะนิยามคือ 1 kgf = 1 kg*g
ลองพิจารณาใหม่ นำคนๆเดิมกับตราชั่งอันเดิมขึ้นยานอวกาศไปชั่งบนดวงจันทร์ซึ่งมีค่าแรงโน้มถ่วงน้อยกว่าโลก 6 เท่า เราจะอ่านน้ำหนักบนตราชั่งได้ 10 kgf ซึ่ง คำนวณได้โดย นำมวลของเขาคูณกับค่าแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์
นั่นแสดงว่าหน่วยบนตราชั่งที่เราใช้งานคือ หน่วย kgf ไม่ใช่ kg ตามที่เราเข้าใจ ค่าที่อ่านได้จากเครื่องชั่งเป็นค่าของน้ำหนักไม่ใช่ค่าของมวล แต่สำหรับเรื่องการชั่งน้ำหนักนั้นตราบใดที่เราทำภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก ก็จะไม่มีความต่างระหว่าง kg กับ kgf เพราะเรานิยาม 1 kgf = 1 kg*g
ลองเปลี่ยนโจทก์ใหม่เป็น ใช้ตราชั่งน้ำหนักมาตรฐาน ชั่งน้ำหนักชายคนหนึ่งได้ 10 kgf บนดวงจันทร์ซึ่งมีค่าแรงโน้มถ่วงน้อยกว่าโลก 6 เท่า จงหามวลของชายคนนี้ คำนวณได้โดย นำน้ำหนักของเขาหารด้วยค่าแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์
แปลงค่า kilogram-force (kgf) กับ Newton (N)
ทั้งคู่เป็นหน่วยของแรง ซึ่งโดยนิยามแล้ว แรง คือ มวลคูณด้วยความเร่ง F=m*a แต่หากเป็นแรงในแนวดิ่งซึ่งกระทำด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกจะเรียกว่าน้ำหนักก็ได้ W=m*g
ลองพิจารณาการคำนวณมวล 1 kg เป็นน้ำหนัก ในหน่วยของ kgf และ N
ในหน่วย kilogram-force (kgf) จะคงค่า g ไว้ในหน่วย ค่าตัวเลขของ g ไม่ได้ถูกคูณข้าไปกับค่าของมวล นิยามหน่วย kg*g = kgf รูปสมการแสดงดังนี้
ในหน่วย Newton (N) ค่าตัวเลขของ g จะถูกคูณเข้าไปกับตัวเลขของมวล แล้วนิยามหน่วย kg*m/s2 = N รูปสมการแสดงดังนี้
การแปลงค่าจาก kgf ไปเป็น N เขียน g ในรูปของค่าคงที่คูณกับหน่วย นำค่างคงที่ของ g ไปคูณกับ 1 นำหน่วยไปคูณหน่วยจะกลายเป็น Newton รูปสมการแสดงดังนี้
การแปลงค่าจาก N ไปเป็น kgf เขียน N ในรูป kg*m/s2 คูณค่าด้วยfactor g/g จัดรูปใหม่ ให้ kg*g = kgf ส่วนที่เหลือคูณตัดกันให้หมด ดังรูปสมการต่อไปนี้
1 kg = 9.80665 N ?
หากมีคนถามว่า 1 kg เท่ากับกี่นิวตัน โดยสามัญสำนึกคนทั่วไปตอบได้ทันทีว่า 9.81 N หรือเอาให้ละเอียดก็ 9.80665 N
ลองชวนกันคิดว่าคำถามและคำตอบนี้ถูกต้องหรือไม่ ถ้าพิจารณากันจริงๆจะเห็นว่าผิดตั้งแต่ตั้งคำถาม เพราะคำถามไม่ได้บอกเงื่อนไขว่าความเร่งเป็นเท่าไรจึงไม่สามารถหาแรงได้ว่าเป็นกี่นิวตัน คำถามต่อไปคือแล้วทำไมคนทั่วไปถึงตอบได้ นั่นเพราะโดยสามัญสำนึกแล้วเมื่อเห็น kg กับ N ก็จะเข้าใจว่าเป็นเรื่องของน้ำหนักโดยทันที แค่เอาค่า g ไปคูณมวลก็ได้คำตอบแล้ว
ดังนั้นหากคำถามคือ 1 kg เท่ากับกี่นิวตัน ให้ขอข้อมูลเพิ่มเติมว่า หมายถึง น้ำหนักใช่ไหม หากหมายถึงน้ำหนัก ตอบได้ทันทีว่า 9.80665 N แต่ถ้าไม่ได้หมายถึงน้ำหนักช่วยระบุว่าความเร่งเท่าไรและทิศทางไหนจึงจะตอบคำถามได้
แต่หากคำถามคือ 1 kgf เท่ากับกี่นิวตัน ก็ตอบได้เลยว่า 9.80665 N เพราะเป็นแรงด้วยกันอยู่แล้ว
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น