การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา (simple pendulum)

พิจารณาลูกตุ้มที่ผูกติดกับเชือกเบา แล้วแกว่งไปมาในแนวดิ่งในทำนองเดียวกับการแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา โดยกำหนดให้

m เป็นมวลของลูกตุ้ม

L เป็นความยาวของเส้นเชือก

Q เป็นมุมที่เส้นเชือกทำกับแนวดิ่ง

จากรูปจะเห็นว่าในขณะที่ลูกตุ้มอยู่ในแนว  กับแนวดิ่ง การขจัดจะเป็น x ซึ่งถ้า  เป็นมุมเล็ก ๆ จะได้ว่า x = L ดังนั้นการขจัดของวัตถุอาจจะเขียนได้ว่าเป็น x หรือเป็น  ก็ได้ เมื่อพิจารณาแรงน้ำหนัก mg ของลูกตุ้ม ก็สามารถแตกแรงนี้ออกเป็น 2 ส่วน คือ mgcos อยู่ในแนวเดียวกับเส้นเชือก และ mg sinซึ่งอยู่ในแนวเส้นสัมผัส แรง mg sin นี่เองที่เป็นแรงดึงกลับที่กระทำต่อลูกตุ้ม

นั่นคือ แรงดึงกลับ = F = mg sin

ในขณะที่ ระยะทางของวัตถุ = x = LQ

ดังนั้น แรงดึงกลับจึงไม่แปรผันโดยตรงกับระยะทาง การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกาไม่น่าเป็น SHM แต่ถ้ามุม  มีค่าน้อย ๆ จะได้ว่าในหน่วยเรเดียน

sin  = 

ดังนั้น แรงดึงกลับ = F = mg 

ระยะทาง = x = LQ

จึงได้ว่า แรงดึงกลับเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะทางแล้ว

นั่นคือ การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกาที่มีมุม  น้อย ๆ จึงเป็น SHM

พิจารณาแรงดึงกลับ

F = mg

จากรูป เมื่อ  น้อย ๆ จะได้

 = 

ดังนั้น F = mg

จากกฎข้อ 2 ของนิวตัน

F = ma

ดังนั้น ความเร่งของตุ้มนาฬิกา = a = 

เนื่องจากการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มเป็น SHM

ดังนั้น a = ²x

นั่นคือ ²x = g

หรือ ² = 

 = 

โดย w เป็นความถี่เชิงมุม (angular frequency) = 2f

ดังนั้น  = 2f = 

f =  = ความถึ่ของการแกว่งของลูกตุ้ม

T =  = 2 = คาบของการแกว่งของลูกตุ้ม

---

ที่มา : นายณสรรค์ ผลโภค, นิตยสารเรียนดี ปี 2 ฉบับที่ 3.