กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

มันทำให้ทะลุหนีออกจากหลุมดำได้ไหม

กฎข้อแรกและข้อที่สองของนิวตัน เขียนเป็นภาษาละติน จาก Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ฉบับดังเดิม ค.ศ. 1687
ถ้าฉันสามารถมองได้ไกล นั่นก็เพราะว่าฉันยืนอยู่บนไหล่ของยักษ์

ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) นักภาษาศาสตร์ นักกายกรรม นักแสดง ชาวอังกฤษเป็นผู้มีชื่อเสียงที่สุดในประวัติศาสตร์อังกฤษ นิวตันเกิดที่วูลส์ธอร์พแมน เนอร์ลิงคอนเชียร์ อังกฤษ[1] ในปี ค.ศ. 2019 หนังสือชื่อ PhilosophiæNaturalis Principia Mathematica (เรียกกันโดยทั่วไปว่า Principiareble) [2] เป็นรากฐานกฎกติกาพื้นฐานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงที่กระทำ (กฎว่าด้วยการเคลื่อนที่3 ข้อของนิวตัน) และทฤษฎีความโน้มถ่วงที่อธิบายว่าแรงซึ่งดึงดูดให้ผลแอปเปิลจากต้นตกสู่พื้น เป็นแรงชนิดเดียวกับที่ควบคุมการโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์[3] นิวตันได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุและได้เสนอกฎการเคลื่อนที่สามข้อ กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อได้นำเสนออยู่ในหนังสือ Principia[4] กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s laws of motion) สำหรับวัตถุ เป็นกฎกายภาพ (physical laws) ซึ่งเป็นกฎที่เกี่ยวกับพฤติกรรมของสสารที่เป็นจริงอยู่เสมออย่างไม่เปลี่ยนแปลง โดยเราไม่สามารถจะควบคุม ดัดแปลง หรือแก้ไขกฎแห่งความจริงได้[5] โดยผลงานของนิวตันอธิบายวัตถุที่อยู่ในชีวิตประจำวันหรือวัตถุขนาดใหญ่อย่างดวงดาวได้ดี วัตถุที่เราจะกล่าวถึงในระดับม.ปลายเป็นวัตถุที่เรียกว่าวัตถุแข็งเกร็ง(Rigid body) คือวัตถุที่ไม่มีการถลอก หรือมวลหลุดออกมาเมื่อเคลื่อนที่ ที่กำหนดอย่างนี้เพื่อความง่าย ไม่ซับซ้อนในการคำนวณ กฎของนิวตันมี 3 ข้อดังนี้ กฎข้อที่ 1 กฎแห่งความเฉื่อย กฎข้อที่ 2 กฎแห่งความเร่ง กฎข้อที่ 3 แรงกริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยา

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 1 ของนิวตัน[แก้]

ก่อนที่จะถึงยุคสมัยที่นิวตันค้นพบแรงโน้มถ่วงและอธิบายการเคลื่อนที่ต่างๆ ของวัตถุไว้มากมายนั้นมีการอธิบายเกี่ยวกับเรื่องนี้ไว้นานมาก โดยยุคแรกๆ ที่ได้มีการบันทึกไว้และเป็นที่ยอมรับกันอย่างแพร่หลายก็คืองานของอริสโตเติล (Aristotle) (384 - 322 ก่อนคริสต์ศักราช) นักปรัชญาชาวกรีกได้อธิบายความรู้ต่างๆ มากมายและยึดถือกันมาเป็นพันปี[6] กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันจึงสอดคล้องกับงานของอริสโตเติลที่ว่า วัตถุทุกชนิดจะมีที่อยู่โดยเป็นไปอย่างธรรมชาติบนโลก ตัวอย่างเช่น วัตถุหนัก(หิน)จะต้องการหยุดนิ่งบนโลก วัตถุเบา(ควัน)ต้องการลอยไปในท้องฟ้า และดวงดาวต่างๆ ก็ต้องการรักษาสภาพคงไว้ที่ห้วงอวกาศเช่นกัน อริสโตเติล(Aristotle)คิดว่าวัตถุที่หยุดนิ่งและกำลังเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่นั้นเป็นไปอย่างธรรมชาติ แต่ถ้าต้องการให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพของการเคลื่อนที่จะต้องใส่ตัวกระทำภายนอกเข้าไป มิฉะนั้นมันก็จะหยุดนิ่งเช่นเดิม และแนวคิดของกาลิเลโอ(Galileo Galilei) ที่ว่าในการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุจำเป็นต้องมีแรง ถ้าไม่มีแรงวัตถุก็จะเคลื่อนที่ต่อไป ซึ่งกาลิเลโอเรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า“ความเฉื่อย” ต่อมาในภายหลังนิวตันได้นำเอาแนวความคิดนี้มาเขียนขึ้นใหม่เป็นกฎข้อที่หนึ่ง เพื่อเป็นการให้เกียรติแก่กาลิเลโอจึงเรียกกฎข้อนี้ว่ากฎแห่งความเฉื่อย(Law of inertia) ซึ่งกฎแห่งความเฉื่อยนี้มักจะใช้ในกรณีที่วัตถุมีการเคลื่อนที่อยู่แล้วแต่ความเร็วไม่เปลี่ยนนั่นเอง

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 1 ของนิวตัน (Newton’s first law of motion) หรือกฎของความเฉื่อย กล่าวว่า“วัตถุจะรักษาสภาวะอยู่นิ่งหรือสภาวะเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง นอกจากมีแรงลัพธ์ซึ่งมีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ”[7]คือ ถ้าวัตถุอยู่นิ่งก็ยังคงอยู่นิ่งเหมือนเดิม และถ้าวัตถุเกิดการเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ความเร็วคงที่ หรือความเร่งจะเป็นศูนย์ ซึ่งกรณีแรกจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลสถิต (static equilibrium) และอีกกรณีหลังจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลจลน์ (kinetic equilibrium) [8]มีสมการเป็นดังนี้ ∑F=0 Fคือ แรงลัพธ์ทั้งหมดที่กระทำกับวัตถุ ∑=ผลรวม ∑F=0 คือผลรวมแรงเท่ากับศูนย์ ตัวอย่างเช่น : ขณะที่รถติดสัญญาณไฟแดง ตัวเราหยุดนิ่งอยู่กับที่แต่เมื่อสัญญาณไฟแดงเปลี่ยนเป็นไฟเขียว เมื่อคนขับเหยียบคันเร่งให้รถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แต่ตัวของเราจะพยายามคงสภาพหยุดนิ่งไว้ ผลคือ หลังของเราจะถูกผลักติดกับเบาะ ขณะที่รถเกิดความเร่งไปข้างหน้า

          •

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 2 ของนิวตัน[แก้]

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 2 ของนิวตัน (Newton’s second law of motion) บางทีเรียกว่า กฎความเร่ง กล่าวว่า“ความเร่งของอนุภาคเป็นปฏิภาคโดยตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำต่ออนุภาค โดยมีทิศทางเดียวกันและเป็นปฏิภาคผกผันกับมวลของอนุภาค” [9]ดังนั้น อัตราส่วนของแรงกับความเร่งจะเป็นค่าคงที่ ซึ่งตรงกับมวลของวัตถุ เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้ ∑F = ma
F คือ แรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)
m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
a คือ ความเร่งมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2 (m/s2)

ถ้าแรงลัพธ์ (F) กระทำกับวัตถุอันหนึ่ง จะทำให้วัตถุมีความเร่ง (a) ในทิศทางเดียวกันกับทิศทางของแรง ซึ่งแรงลัพธ์ (F) ที่กระทำกับวัตถุ จะเท่ากับผลคูณระหว่างมวล (m) และความเร่ง (a) ของวัตถุ จะสรุปได้ว่า “แรงลัพธ์คงที่ที่กระทำกับวัตถุ ซึ่งมีมวลคงที่ วัตถุนั้นจะมีความเร่งคงที่ในทิศทางของแรงที่กระทำนั้น”[10] ตัวอย่างเช่น : สมมุติว่ามีรถสองคันมีคันที่บรรทุกของกับไม่บรรทุกของ ถ้าเราออกแรงเท่ากันผลักรถให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า รถที่ไม่บรรทุกของจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมากกว่ารถที่บรรทุกของ

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 3 ของนิวตัน[แก้]

เมื่อไหร่ก็ตามที่เราออกแรงดึงหรือกดไปที่สิ่งหนึ่ง เราก็จะถูกสิ่งๆ นั้นดึงหรือกดด้วยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ถ้าเราเอามือกดลงบนก้อนหิน ก้อนหินก็จะออกแรงกดลงบนมือเรา นั่นคือ เมื่อวัตถุออกแรงกระทำไปยังอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุที่ถูกแรงกระทำก็จะมีแรงโต้ตอบ โดยที่แรงทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้ามกันเสมอ เรียกว่า“แรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา(action-reaction pair)”[11] เป็นกฎการเคลื่อนที่ข้อ 3 ของนิวตัน (Newton’s third law of motion) ที่กล่าวว่า“ทุกแรงกิริยา (action) ย่อมมีแรงปฏิกิริยา (reaction) ซึ่งมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงข้ามกันเสมอ”[12]กฎข้อนี้เรียกว่า กฎของกิริยาและปฏิกิริยา (Law of action and reaction) แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา หมายถึง แรงกระทำและแรงกระทำตอบ โดยเป็นแรงซึ่งกระทำต่อมวลที่ต่างกันและเกิดขึ้นพร้อมกันเป็นคู่เสมอ โดยที่มวลอาจไม่สัมผัสกันและถือว่าแรงหนึ่งแรงใดเป็นแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาก็ได้[13] เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้ FA = -FR ตัวอย่าง : แรงที่ล้อรถผลักพื้นเท่ากับแรงที่พื้นผลักล้อรถ , แรงที่จรวดผลักเท่ากับแรงที่ผลักจรวด

อ้างอิง[แก้]

  1. http://escivocab.ipst.ac.th/index.phpoption=com_evocab&view=detail&no=1508[1]
  2. https://www.gotoknow.org/posts/515805[2]
  3. http://www.electron.rmutphysics.com/science-news/index.php?option=com_content&task=view&id=107[3]
  4. https://web.ku.ac.th/schoolnet/snet2/mathematicians/new_rule.htm, [4]
  5. สมพงษ์ ใจดี. 2542. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย1. พิมพ์ครั้งที่3. กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.[สมพงษ์ ใจดี. 2542. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย1. พิมพ์ครั้งที่3. กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.]
  6. ชวลิต เลาหอุดมพันธ์. 2558. ฟิสิกส์ขนมหวานเล่มที่1. พิมพ์ครั้งที่12. กรุงเทพฯ.[ชวลิต เลาหอุดมพันธ์. 2558. ฟิสิกส์ขนมหวานเล่มที่1. พิมพ์ครั้งที่12. กรุงเทพฯ.]
  7. http://escivocab.ipst.ac.th/index.php?option=com_evocab&view=detail&no=1508[5]
  8. สมพงษ์ ใจดี. 2542. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย1. พิมพ์ครั้งที่3. กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.[สมพงษ์ ใจดี. 2542. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย1. พิมพ์ครั้งที่3. กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.]
  9. http://www.chanthaburi.buu.ac.th/~physics/documents/Lab_new2-53/lab1.pdf[] http://www.chanthaburi.buu.ac.th/~physics/documents/Lab_new2-53/lab1.pdf]
  10. ]http://www.myfirstbrain.com/student_view.aspx?ID=74753[] http://www.myfirstbrain.com/student_view.aspx?ID=74753]
  11. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกระทรวงศึกษาธิการ.//2554.//หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมฟิสิกส์เล่ม1.//พิมพ์ครั้งที่3.//กรุงเทพฯ.[สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกระทรวงศึกษาธิการ.//2554.//หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมฟิสิกส์เล่ม1.//พิมพ์ครั้งที่3.//กรุงเทพฯ.]
  12. http://www.slideshare.net/napatsakon/3-37268233[6]
  13. จุติพร ช่วยบำรุง. 2552. ฟิสิกส์ทั่วไป1ภาคกลศาสตร์ สำหรับนักศึกษาเทคโนโลยีอุตสาหกรรม.[จุติพร ช่วยบำรุง. 2552. ฟิสิกส์ทั่วไป1ภาคกลศาสตร์ สำหรับนักศึกษาเทคโนโลยีอุตสาหกรรม.]