เรื่องเครื่องกล (PBL)

1

เอกสารประกอบการสอน
เร่อื ง เครอื่ งกล

เครื่องกล คือ เครื่องมือท่ีอำนวยควำมสะดวกในกำรส่งถ่ำยแรงหรืออุปกรณ์ท่ีช่วยให้กำรทำงำน
สะดวกขึ้นหรือง่ำยข้ึน สำมำรถปรับเปล่ียน และส่งถ่ำยพลังงำนกลไปยังจุดอื่นในรูปท่ีเป็นประโยชน์มำกขึ้น
เช่น งำนในกำรยกของหนัก เครื่องกลบำงชนดิ ยังชว่ ยผอ่ นแรง หรือช่วยให้ยกของได้โดยใชแ้ รงน้อยลง เป็นตน้
เครื่องกลพ้ืนฐำนท่ีจัดเป็นเคร่ืองกลอย่ำงง่ำย (simple machine) มี 6 ประเภท ได้แก่ คำน (lever) ล่ิม
(wedge) รอก (pulley) พน้ื เอียง (inclined plane) สกรู (screw) และลอ้ กับเพลำ (wheel and axle)

1. ประสิทธภิ าพของเคร่ืองกลและเครอ่ื งใช้ไฟฟ้า

ในกำรศึกษำเร่ืองกฎกำรอนุรักษ์พลังงำนทรำบว่ำ พลังงำนไม่มีกำรสูญหำยแต่เปลี่ยนเป็นพลังงำนอนื่
ได้ กำรทำงำนของเคร่ืองกลหรือเคร่ืองใช้ไฟฟ้ำเพ่ือเปล่ียนพลังงำนหน่ึงเป็นพลังงำนที่ต้องกำรนั้น ไม่สำมำรถ
เปล่ียนได้ 100 เปอร์เซ็นต์ เพรำะอำจมีกำรสูญเสียพลังงำนอื่นที่ไม่ต้องกำร ดังน้ันในกำรเปรียบเทียบ
ควำมสำมำรถในกำรทำงำนของมนุษย์หรือเคร่ืองจักรกลใด ๆ จึงมักบอกในรูปของประสิทธิภำพเคร่ืองกลที่มี
ประสิทธิภำพสูงย่อมดีกว่ำเครื่องกลประเภทเดียวกันท่ีมีประสิทธิภำพต่ำกว่ำ เช่น กำรเลือกซ้ือตู้เย็นหรือ
เคร่ืองปรบั อำกำศทมี่ ปี ระสทิ ธภิ ำพสูง (เบอรห์ ้ำ)

ประสิทธภิ ำพของเครอ่ื งกล = กำลงั ทไี่ ดร้ บั จำกเครอ่ื งกล
กำลงั ทใี่ หก้ ับเครอื่ งกล

ในทำงอุดมคติจะถือว่ำในกำรทำงำนหรือกำรถ่ำยโอนพลังงำนจำกพลังงำนหนึ่งไปเป็น
พลังงำนอีกอย่ำงหน่ึงจะไม่มีกำรสูญเสียพลังงำนดังนั้นกำลังที่ให้กับเครื่องกลจะเท่ำกับกำลังที่ได้รับ
จำกเครื่องกล น่นั คอื ประสทิ ธภิ ำพของเครอ่ื งกลจะเทำ่ กับ 1 และถ้ำคดิ เป็นรอ้ ยละจะไดเ้ ทำ่ กับ 100

แต่ในทำงปฏิบัติจะมีกำรสูญเสียพลังงำนไปภำยนอกระบบเสมอ ประสิทธิภำพของ
เคร่ืองกลหรือเคร่ืองใช้ต่ำงๆ จึงมีค่ำน้อยกว่ำ 1 หรือน้อยกว่ำ 100 เปอร์เซ็นต์ กำรหำ
ประสิทธิภำพของเคร่ืองกลหรือเครื่องใช้ นอกจำกหำจำกอัตรำส่วนของกำลังท่ีได้รับจำก
เครอ่ื งกล และกำลังท่ใี ห้กบั เครอ่ื งกลแลว้ ยังหำไดจ้ ำก

ประสิทธภิ ำพของเคร่อื งกล = งำนทไ่ี ดร้ ับจำกเครือ่ งกล
งำนที่ให้กบั เคร่ืองกล × 100%

2

ตัวอยำ่ งประสิทธภิ ำพของเครื่องใช้ไฟฟ้ำ

ทมี่ า : https://www.egat.co.th/egattoday/index.php?option=com_k2&view=item&id=7085:2019-02-25-03&Itemid=129

2. หลักการของงานกบั เครือ่ งกล

เรำสำมำรถใช้หลักกำรของงำนหรือกฎกำรอนุรักษ์พลังงำนอธิบำยกำรทำงำนของเคร่ืองกลต่ำง ๆ ได้
ว่ำช่วยให้เรำใช้แรงน้อยลงหรือทำงำนสะดวกข้ึนได้อย่ำงไร เนื่องจำกงำนและพลังงำนเป็นปริมำณที่คงตัว
เครือ่ งกลจะไมช่ ว่ ยให้เรำทำงำนได้มำกกว่ำที่เรำทำงำนให้กับเคร่ืองกล แต่อำจสูญเสียพลังงำนไปส่วนหนงึ่ เชน่
สญู เสยี ไปเน่ืองจำกงำนของแรงเสยี ดทำน

งำนท่ีใหก้ บั เครอ่ื งกล = งำนท่ีได้รบั จำกเคร่อื งกล + งำนของแรงเสียดทำน (งำนท่ีสูญเสยี ไป)

ถ้ำงำนของแรงเสียดทำนมีค่ำนอ้ ยมำกเมอื่ เทียบกบั งำนท่ีได้รับ จะได้

งำนทีใ่ หก้ บั เครอื่ งกล = งำนทไ่ี ด้รับจำกเครอ่ื งกล

โดยถือว่ำงำนของแรงเสยี ดทำนมีค่ำน้อยมำก กำรผ่อนแรงของเครื่องกลนั้นพิจำรณำได้จำกค่ำได้เปรียบเชิงกล
(mechanical advantage : M.A.) ซ่ึงคืออัตรำส่วนระหว่ำงขนำดของแรงที่ได้จำกเคร่ืองกล (Fout) ต่อขนำด
ของแรงที่ใหก้ ับเครอ่ื งกล (Fin) หรือ

. . =


3

หรือหำไดจ้ ำกอตั รำส่วนระหว่ำงระยะทำงที่เรำออกแรงทำงำน (Sin) ต่อระยะทำงของงำนท่ไี ด้ (Sout) หรือ

. . =


โดยถ้ำ . . > 1 แสดงวำ่ เครอ่ื งกลน้ันชว่ ยผอ่ นแรง

. . = 1 แสดงวำ่ เครอื่ งกลน้ันไม่ช่วยผอ่ นแรงแตช่ ่วยใหท้ ำงำนไดส้ ะดวกขน้ึ

. . < 1 แสดงว่ำเครอ่ื งกลน้ันไม่ชว่ ยผ่อนแรง

คาน

คำนเปน็ เคร่ืองกลที่ใช้กนั ทั่วไป เช่น ชะแลงงดั ตะปู คมี กรรไกร ตะเกยี บ กำรทำงำนของคำนใช้หลกั
ของงำนเชน่ เดียวกบั กำรทำงำนของรอก กลำ่ วคอื มีแรงกดปลำยคำนในทิศทำงลงเพื่อยกวตั ถุข้นึ ดงั รูป

ถ้ำไม่มกี ำรสญู เสียพลังงำน จำกกฎกำรอนรุ กั ษ์พลงั งำนจะได้
งำนท่ใี หก้ ับคำน = งำนทค่ี ำนยกวตั ถุ
FS = mgh

เช่นค้อน กำรทำงำนของค้อนเป็นไปตำมกฎกำรอนุรักษ์พลังงำน ซ่ึงแรงท่ีกระทำอำจไม่อยู่ในทิศทำง
ขึ้นก็ได้ดังตัวอย่ำงในรูป ถ้ำหำกทรำบแรงกระทำกับเคร่ืองกลและกำรกระจัด เช่นถ้ำทรำบว่ำออกแรง ⃑ ⃑ ⃑1
กระทำต่อด้ำมค้อนมีกำรกระจัด ⃑⃑ ⃑1 ทำให้ค้อนส่งแรง ⃑ ⃑⃑ ⃑2 กระทำต่อตะปูให้เคลื่อนออกมีกำรกระจัด ⃑⃑ ⃑2 ดัง
รปู ซง่ึ จะใช้หลักกำรของงำนได้ดังน้ี

4

ถำ้ ไม่มีกำรสญู เสยี พลงั งำนจำกกฎกำรอนรุ กั ษพ์ ลงั งำนจะได้
งำนทใ่ี ห้กับค้อน = งำนทไ่ี ด้รับจำกค้อน
F1S1 = F2S2

รอก

รอกเป็นเคร่ืองกลที่นิยมใช้กนั มำกในโรงงำน และในงำนสนำม เชน่ กำรซ่อมเครื่องยนต์ กำรซอ่ มหรือ
วำงท่อประปำ ท่อระบำยน้ำ จะเห็นว่ำมีกำรใช้รอกช่วยในกำรยกวัสดุที่มีมวลมำก ๆ รอบน้ีมักจะติดตั้งอยู่กับ
ปนั้ จน่ั หรือคำน

รอกเดยี่ วตายตวั

เม่ือออกแรง ดึงเชือกท่ีคล้องผ่ำนรอกเป็นระยะทำง s ทำให้วัตถุมวล m เคลื่อนท่ีได้ระยะทำง s
เท่ำกัน ดังนั้น งำนที่ให้แก่ลอก คือ Fs ส่วนงำนท่ีได้จำกรอก คือ mgs ถ้ำไม่มีกำรสูญเสียพลังงำนจำกกฎกำร
อนรุ กั ษ์พลังงำนจะได้

งำนท่ีให้กับรอก = งำนทไ่ี ด้รับจำกรอก

FS = mgs

นั่นคือ เรำต้องออกแรงดึงเชือกเท่ำกับน้ำหนักของวตั ถุเม่ือพจิ ำรณำกำรไดเ้ ปรียบเชงิ กลจะไดว้ ำ่

M.A. = = 1


5

ดงั นนั้ รอกเด่ียวตายตวั จึงไม่ช่วยในการผ่อนแรง แต่ช่วยให้เราทางานได้สะดวกมากขึน้
เนื่องจากการดงึ เชือกลงเพ่ือยกวตั ถุให้เคลื่อนที่ขึน้ ง่ายกว่าการดึงเชือกขึน้ ตรง ๆ นอกจากนีห้ าก
ต้องการยกวตั ถใุ ห้สงู ขนึ ้ มาก ๆ ก็จะต้องอย่ใู นระดบั ที่สงู กว่าวตั ถุด้วยจึงจะสามารถดงึ วตั ถขุ ึน้ ได้
ซง่ึ อาจไมส่ ะดวกในการทางานเชน่ นี ้

รอกเด่ียวเคล่ือนท่ี

เมื่อออกแรง ดึงเชือกท่ีคล้องผ่านรอกเป็นระยะทาง s จะทาให้วัตถุมวล m เคลื่อนท่ีได้
ระยะทางเพียง เทา่ นนั้ ถ้าไมม่ ีการสญู เสียพลงั งานจากกฎการอนรุ ักษ์พลงั งานจะได้

2

งานท่ีให้กบั รอก = งานที่ได้รับจากรอก

FS = mg( )

2

จะได้ว่า F = นน่ั คือเราสามารถยกวตั ถขุ ึน้ ได้โดยออกแรงดงึ เชือกเพียงคร่ึงหนง่ึ ของนา้ หนกั
2
วัตถุเท่านนั้ ซึ่งต่างจากกรณีของรอกเด่ียวตายตวั ท่ีเราต้องออกแรงดึงเชือกเท่ากับนา้ หนักของวัตถุการ

ได้เปรียบเชงิ กลของรอกเดี่ยวเคลื่อนที่พจิ ารณาได้จาก

M.A. = = = 2
/2

หรือ

6

M.A. = = = = 2
/2

ลอ้ กบั เพลา

ล้อกับเพลำเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของเครื่องจักรกล ชนิดต่ำง ๆ ไม่ว่ำจะเป็นรถยนต์ เครื่องกลึง
สว่ำนไฟฟำ้ เลื่อยไฟฟ้ำ เครอ่ื งกำเนิดไฟฟ้ำ พัดลม เคร่อื งผสมอำหำร เป็นต้น เพรำะกำรทำงำนของเครื่องจักร
นั้นจะใช้กำรหมุนเป็นส่วนใหญ่เพรำะต้นกำลังที่ใช้ คือ เครื่องยนต์กังหันน้ำ กังหันไอน้ำ กังหันแก๊ส และ
มอเตอร์ไฟฟ้ำซ่ึงทำงำนด้วยกำรหมุนท้ังส้ินกำรนำกำลังจำกต้นกำลังมำใช้งำน ก็ต้องใช้ ระบบล้อกับเพลำ
ระบบเกียร์ระบบสำยพำนมำชว่ ยในกำรทำงำน ดังรปู

ถำ้ ออกแรง ⃑⃑ ⃑1 ให้กับเครือ่ งกลมกี ำรกระจดั ⃑ ⃑ ⃑1 เครอ่ื งกลทำให้แรง ⃑⃑⃑ ⃑2 มกี ำรกระจดั ⃑ ⃑ ⃑2

ถ้ำไมม่ กี ำรสูญเสยี พลังงำน จำกกฎกำรอนุรักษ์พลงั งำนจะได้

งำนท่ใี ห้กบั รอก = งำนทีไ่ ด้จำกเพลำ

F1S1 = F2S2

7
พ้ืนเอียง

พ้ืนเอียงเป็นเครื่องกลท่ีมีอยู่ทั่วไปจนเรำไม่เคยนึกว่ำเป็นเคร่ืองกล เช่น ถนนท่ีข้ึนและลงจำกท่ีสูง
บนั ไดทำงขึน้ และลงจำกเนนิ เป็นตน้ ถ้ำไมม่ ที ำงเหลำ่ นีก้ ำรนำวัตถุ เชน่ รถยนต์ ตวั คน สง่ิ ของ ทีม่ มี วลมำกขึ้น
ไปยงั ตำแหนง่ ทีส่ งู หรอื ตำ่ จำกเดิมต้องใชแ้ รงอย่ำงมำก

กำรทีม่ ถี นนเอียง บันได ชว่ ยใหก้ ำรเคล่อื นทไ่ี ปยังทีส่ ูงกวำ่ หรอื ท่ตี ่ำกว่ำเป็นไปได้งำ่ ย ไม่ต้องใช้อปุ กรณ์
หรือเครื่องกลอืน่ ใดมำช่วย

ถำ้ ไมม่ ีกำรสูญเสียพลงั งำน จำกกฎกำรอนุรักษ์พลังงำนจะได้
งำนทีใ่ ช้ดงึ รถ = งำนทใ่ี ช้ในกำรยกรถขึ้นในแนวด่ิง
FS = mgh

สกรู
สกรูเป็นเครอ่ื งกลที่มหี ลักกำรทำงำนคล้ำยกับพนื้ เอียงกลำ่ วคอื แทนทจี่ ะให้วัตถุเคลื่อนท่ีบนพ้นื เอียงก็

ให้สกรเู ปน็ ตวั เคลอ่ื นทแี่ ทนตัวอย่ำงที่พบเหน็ กันทว่ั ไปคือกำรใช้แม่แรงยกรถแบบสกรู

ออกแรง f ท่ีไปทำนซ่ึงมีรัศมี r เพ่ือยกวัตถุมวล M โดยมีระยะเกลียวเท่ำกับ h ถ้ำไม่มีกำรสูญเสีย
พลงั งำนจำกกฎกำรอนุรักษพ์ ลงั งำนกลจะได้

งำนท่ใี ชห้ มุนสกรูหนงึ่ รอบ = งำนท่ีใชใ้ นกำรยกรถในแนวด่ิงไดร้ ะยะ 1 เกลียว
F x 2 = mgh

8
นอกจำกกำรยกรถแล้ว สกรูยังใช้กันมำกในโรงงำนและอุปกรณ์ท่ัวไป เช่น นอตยึดคำนไม้เข้ำกับเสำ
ปำกกำจบั ช้ินงำนสำหรับงำนตะไบ งำนเจำะ สกรูยึดเครื่องยนต์ นอตยึดวัสดตุ ำ่ ง ๆ เขำ้ ดว้ ยกัน

ลม่ิ
ลม่ิ เป็นเครอ่ื งกลรูปสำมเหลี่ยมใช้สำหรบั ทำให้วัตถุแยกออกจำกกันใช้หนนุ วัตถหุ รือใชด้ ึงวัตถุให้อยู่กับ

ทีก่ ไ็ ด้

เมื่อออกแรง กระทำต่อลมิ่ ให้เคล่ือน พ่ีเข้ำไปในเน้ือวตั ถเุ ป็นระยะ H ทำใหว้ ตั ถแุ ยกออกจำกกนั
เป็นระยะ L โดยมีแรงตำ้ นภำยในเน้ือวัตถุเทำ่ กบั ⃑⃑⃑

ถำ้ ไม่มกี ำรสูญเสยี พลังงำน จำกกฎกำรอนุรกั ษพ์ ลงั งำนกลจะได้
งำนทีใ่ หก้ บั ล่ิม = งำนท่ไี ด้จำกลิม่
FH = WL

จะเห็นว่ำถ้ำให้ควำมยำวของล่ิม (H) มำก ๆ เมื่อเทียบกับควำมกว้ำงของสันล่ิมจะทำให้เรำสำมำรถ
เจำะเข้ำไปหรือแยกเน้ือวัตถุให้ออกจำกกันได้งำ่ ยโดยออกแรงเพียงเลก็ น้อยเท่ำน้ัน เชน่ กำรใช้เขม็ ทมิ่ เข้ำไปใน
เนอ้ื วตั ถตุ วั อย่ำง เครอ่ื งมอื ใช้ทใ่ี ชห้ ลกั กำรของล่ิม เชน่ ขวำนมีดเขม็ ส้อมตะปูเปน็ ตน้

9

ใบงานท่ี 1
เรื่อง การหาประสิทธิภาพของเครื่องกลและการไดเ้ ปรียบเชงิ กล

จดุ ประสงค์ เพ่ือหำประสิทธิภำพสูงสุดของเครื่องกลและค่ำมำกสดุ ของกำรได้เปรียบเชิงกล

ชนดิ เครื่องกล กรรไกร ขนำด.......................................................

อุปกรณ์

1. กรรไกร
2. ไม้บรรทัด

วิธกี ารหาประสทิ ธิภาพเคร่ืองกล

1. กำหนดใหแ้ รงทกี่ ระทำต่อกรรไกรเปน็ 10 นวิ ตนั (F1 =10 N)
2. ให้นักเรียนวำงฟวิ เจอร์บอร์ดทีร่ ะยะตำ่ งๆบนกรรไกร แลว้ ใชไ้ มบ้ รรทดั วัดหำระยะกำรกระจัด S1 และ

S2 พรอ้ มท้ังบันทกึ ผลลงในตำรำง จำกนัน้ คำนวณหำแรงท่ีกรรไกรกระทำต่อฟิวเจอร์บอรด์ (F2) ทำซ้ำ
เช่นนีเ้ พื่อหำระยะทีท่ ำให้ไดค้ ่ำไดเ้ ปรยี บเชงิ กลมำกที่สุด
3. คำนวณหำคำ่ ไดเ้ ปรียบเชิงกลทไ่ี ด้จรงิ จำกกำรทดลองและจำกทฤษฎี
4. คำนวณหำประสทิ ธิภำพเครื่องกล

ตารางบันทึกผล

ครงั้ ที่ F1 S1 F2 S2 M.A.จรงิ M.A. แปล ประสิทธภิ าพ

ทฤษฎี ความหมาย เครื่องกล

จากคา่ M.A.

วิเคราะห์ผลการทดลอง

...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................

10

...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................

11

สรุปผลการทดลอง

...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................

12