การเคลื่อนที่ (ฟิสิกส์)

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
Jump to navigation Jump to search

การเคลื่อนที่ในฟิสิกส์ หมายถึง การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุในช่วงเวลาหนึ่ง ถูกอธิบายด้วย การกระจัด ระยะทาง ความเร็ว ความเร่ง เวลา และอัตราเร็ว การเคลื่อนที่ของวัตถุจะถูกสังเกตได้โดยผู้สังเกตที่เป็นส่วนหนึ่งของกรอบอ้างอิง ทำการวัดการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุเทียบกับกรอบอ้างอิงนั้น

ถ้าตำแหน่งของวัตถุไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิง อาจกล่าวได้ว่าวัตถุนั้นอยู่นิ่งหรือตำแหน่งคงที่ (ระบบมีพลวัตแบบเวลายง) การเคลื่อนที่ของวัตถุจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ เว้นเสียแต่มีแรงมากระทำ

โมเมนตัมคือปริมาณที่ใช้ในการวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุ โมเมนตัมของวัตถุเกี่ยวข้องกับมวลและความเร็วของวัตถุ และโมเมนตัมทั้งหมดของวัตถุทั้งหมดในระบบโดดเดี่ยว (อย่างใดอย่างหนึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอก) ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาตามที่อธิบายไว้ในกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม

เนื่องจากไม่มีกรอบอ้างอิงที่แน่นอนดังนั้นจึงไม่สามารถระบุการเคลื่อนที่แบบสัมบูรณ์ได้[1] ดังนั้นทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลจึงสามารถเคลื่อนที่ได้[2]:20–21

การเคลื่อนที่ใช้ได้กับวัตถุ อนุภาค การแผ่รังสี อนุภาคของรังสี อวกาศ ความโค้ง และปริภูมิ-เวลาได้ อนึ่งยังสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของรูปร่างและขอบเขต ดังนั้นการเคลื่อนที่หมายถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในการกำหนดค่าของระบบทางกายภาพ ตัวอย่างเช่นเราสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของคลื่นหรือการเคลื่อนที่ของอนุภาคควอนตัมซึ่งการกำหนดค่านี้ประกอบด้วยความน่าจะเป็นในการครอบครองตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง

การเคลื่อนที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนตำแหน่ง เช่น ภาพนี้เป็นรถไฟใต้ดินออกจากสถานีด้วยความเร็ว

กฎการเคลื่อนที่[แก้]

ดูบทความหลักที่: กลศาสตร์

ในวิชาฟิสิกส์อธิบายการเคลื่อนที่ผ่านกฎของกลศาสตร์สองชุดที่ดูขัดแย้งกัน การเคลื่อนที่ของวัตถุใหญ่และวัตถุที่คล้ายกันในเอกภพ (เช่น ขีปนาวุธ ดาวเคราะห์ เซลล์และมนุษย์) อธิบายด้วยกลศาสตร์ดั้งเดิม ขณะที่การเคลื่อนที่ของวัตถุระดับอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมถูกอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ดั่งเดิม[แก้]

กลศาสตร์ดั่งเดิมถูกใช้อธิบายการเคลื่อนที่วัตถุมหภาค ตั้งแต่ขีปนาวุธไปจนถึงชิ้นส่วนของเครื่องจักร เช่นเดียวกับวัตถุทางดาราศาสตร์ เช่น ยานอวกาศ ดาวเคราะห์และกาแลคซี ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมากในการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านี้ และเป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมและเทคโนโลยีที่เก่าแก่และใหญ่ที่สุด

กลศาสตร์ดั่งเดิมมีรากฐานมาจากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน กฎเหล้าอธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่มากระทำต่อวัตถุกับการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น โดยการรวบรวมของไอแซก นิวตัน ในหนังสือ Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อ 5 กรกฎาคม ค.ศ. 1687 โดยกฎการเคลื่อนที่มีดังนี้

กฎข้อที่หนึ่ง: ทุกวัตถุจะรักษาภวะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง เว้นแต่จะมีแรงมากระทำให้เปลี่ยนภาวะนั้นไป
กฎข้อที่สอง: ความเร่งของวัตถุจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงที่มากระทำ และมีทิศทางอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับแรงที่มากระทำนั้น
กฎข้อที่สาม: ทุกแรงกิริยาจะมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกันเสมอ

กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อของนิวตันนี้ เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แรก สำหรับการทำความเข้าใจการโคจรของวัตถุในอวกาศ ซึ่งเป็นการอธิบายภาพรวมการเคลื่อนที่ของเทห์ฟ้าและการเคลื่อนที่ของวัตถุบนผิวโลก

กลศาสตร์ดั่งเดิมได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ โดยสัมพัทธภาพพิเศษเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วของแสง ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ภายใต้แรงโน้มถ่วงในระดับลึก

เคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางใด ๆ เป็นระยะ ๆ ปกติจะเรียกว่า "การเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ" ตัวอย่างเช่นจักรยานเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงโดยมีความเร็วคงที่

สมการของเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ

ถ้า คือ ความเร็วสุดท้าย คือ ความเร็วเริ่มต้น คือ ความเร่ง คือ เวลา คือ การกระจัด

ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่นั้นหมายความว่าความเร็วเริ่มต้นเป็นศูนย์จะได้ว่า

กลศาสตร์ควอนตัม[แก้]

ดูบทความหลักที่: กลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ควอนตัมคือชุดของหลักการที่อธิบายถึงความจริงทางกายภาพในระดับอะตอมของสสาร (โมเลกุลและอะตอม) และอนุภาคย่อยของอะตอม (อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอนและแม้แต่อนุภาคมูลฐานที่เล็กกว่าเช่นควาร์ก) คำอธิบายเหล่านี้รวมถึงพฤติกรรมที่เหมือนคลื่นและเหมือนอนุภาคของทั้งสสารและการแผ่รังสีตามที่อธิบายไว้ในความเป็นทวิภาคของคลื่น–อนุภาค[ต้องการอ้างอิง]

ในกลศาสตร์ดั่งเดิม การวัดและการทำนายสถานะของวัตถุสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ เช่น ตำแหน่ง และ ความเร็ว ในกลศาสตร์ควอนตัมเนื่องจากหลักความไม่แน่นอน สถานะที่สมบูรณ์ของอนุภาคย่อย เช่น ตำแหน่งและความเร็วไม่สามารถกำหนดได้พร้อม ๆ กัน[ต้องการอ้างอิง]

นอกจากการอธิบายการเคลื่อนที่ในระดับอะตอมแล้วกลศาสตร์ควอนตัมยังเป็นประโยชน์ในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่มีขนาดใหญ่เช่น ของไหลยวดยิ่ง สภาพนำยวดยิ่ง และระบบชีวภาพรวมทั้งการทำงานของเซลล์รับกลิ่นและโครงสร้างของโปรตีน[ต้องการอ้างอิง]

รายชื่อการเคลื่อนที่ที่มนุษย์ไม่สามารถสังเกตเห็น[แก้]

มนุษย์และสิ่งต่าง ๆ ในจักรวาลล้วนกำลังเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอ[2]:8–9 อย่างไรก็ตามนอกเหนือจากการเคลื่อนที่ที่เห็นได้ชัดเจนของวัตถุต่าง ๆ และการเคลื่อนที่ของมนุษย์แล้ว ยังมีการเคลื่อนที่ที่เป็นเรื่องยากที่มนุษญ์ยากที่จะรับรู้ได้ด้วยเหตุผลสองประการคือ 1) กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเฉื่อย) ซึ่งทำให้มนุษย์ไม่รู้สึกถึงการเคลื่อนที่ของมวลที่อยู่ติดกัน 2) การขาดกรอบอ้างอิงที่ชัดเจนซึ่งจะช่วยให้สังเกตเห็นการเคลื่อนที่ได้ง่ายขึ้น[3]

จักรวาล[แก้]

ปริภูมิ-เวลาที่กำลังขยายตัว โดยทั่วไปแล้วทุกสิ่งในจักรวาล เป็นของที่ยืดได้คล้ายกับแถบยาง การเคลื่อนที่นี้คลุมเครือมากที่สุดเพราะไม่ใช่การเคลื่อนที่ของวัตถุทั่วไป แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติของจักรวาลเอง ซึ่งเอ็ดวิน ฮับเบิล แสดงให้เห็นว่ากาแลคซีทั้งหมดและวัตถุทางดาราศาสตร์กำลังเคลื่อนที่ห่างออกไปตามกฎของฮับเบิล[4]

กาแล็กซี่[แก้]

ทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ไปในอวกาศ นักดาราศาสตร์หลายคนเชื่อว่าทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 600 กิโลเมตรต่อวินาที ของกาแลคซีที่อยู่ใกล้เคียง กรอบอ้างอิงอีกชุดหนึ่งคือรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล กรอบอ้างอิงนี้ชี้ให้เห็นว่าทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 582 กิโลเมตรต่อวินาที[5]

ดวงอาทิตย์และระบบสุริยะ[แก้]

ทางช้างเผือกกำลังหมุนรอบศูนย์กลางความหนาแน่นของกาแล็กซี ดังนั้นดวงอาทิตย์กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมภายใต้แรงโน้มถ่วงของกาแล็กซี ซึ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางออกมาทางขอบด้านนอก โดยความเร็วโดยรวมของดาวฤกษ์อยู่ระหว่าง 210 ถึง 240 กิโลเมตรต่อวินาที[6]ซึ่งดาวเคราะห์และดวงจันทร์ก็กำลังเคลื่อนที่ไปกับดวงอาทิตย์ด้วย นั้นหมายความว่าระบบสุริยะกำลังเคลื่อนที่อยู่ไปด้วย

โลก[แก้]

  • โลกกำลังหมุนหรือหมุนรอบแกน ผลที่เกิดตามมาก็คือกลางวันและกลางคืน โดยโลกหมุนรอบแกนหมุนไปทางทิศตะวันออกด้วยความเร็วที่เส้นศูนย์สูตรเป็น 0.4651 กิโลเมตรต่อวินาที (1040 ไมล์ต่อชั่วโมง)[7]
  • โลกกำลังโคจรรอบดวงอาทิตย์ในวงโคจรที่สมบูรณ์รอบดวงอาทิตย์ใช้เวลาหนึ่งปีหรือประมาณ 365 วัน ด้วยความเร็วประมาณ 30 กิโลเมตรต่อวินาที (67,000 ไมล์ต่อชั่วโมง)[8]

ทวีป[แก้]

ทฤษฎีการแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาคบอกเราว่าทวีปลอยอยู่บนกระแสการพาความร้อนภายในเนื้อโลก ทำให้แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่ไปบนผิวของดาวเคราะห์ ด้วยความเร็วประมาณ 1 นิ้ว (2.54 เซนติเมตร) ต่อปี[9][10]อย่างไรก็ตามความเร็วของการเคลื่อนที่กำลังเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยแผ่นที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดคือแผ่นมหาสมุทรแผ่นโคโคสที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 75 มิลลิเมตรต่อปี[11] (3 นิ้วต่อปี) และแผ่นแปซิฟิกที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 52 - 69 มิลลิเมตรต่อปี (2.1 - 2.7 นิ้วต่อปี) ส่วนแผ่นที่เคลื่อนที่ช้าที่สุดคือ แผ่นยูเรเชีย ที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 21 มิลลิเมตรต่อปี (0.8 นิ้วต่อปี)

วัตถุภายในร่างกาย[แก้]

  • หัวใจของมนุษย์กำลังเต้นอยู่ตลอดเวลาเพื่อสูบฉีดเลือดไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกายผ่านหลอดเลือดดำขนาดใหญ่และหลอดเลือดแดงในร่างกาย พบว่าเลือดไหลไปด้วยความเร็วประมาณ 0.33 เมตรต่อวินาที แม้ว่าจะมีการแปรผันอย่างมากและมีการไหลสูงสุดในหลอดเลือดเวนาคาวา ซึ่งอยู่ระหว่าง 0.1 - 0.45 เมตรต่อวินาที[12]
  • กล้ามเนื้อเรียบของอวัยวะภายใน ที่คุ้นเคยกันที่สุดคือ เพอริสทอลซิส ซึ่งเป็นการที่อาหารที่ถูกย่อยแล้วถูกบีบให้เคลื่อนที่ไปตลอดระบบทางเดินอาหาร ถึงแม้ว่าอาหารที่แตกต่างกันจะเดินเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันแต่โดยเฉลี่ยแล้วความเร็วเฉลี่ยผ่านลำไส้เล็กของมนุษย์คือ 2.16 เมตรต่อชั่วโมง (0.036 เมตรต่อวินาที)[13]
  • โดยปกติเสียงบางเสียงจะได้ยินได้ก็ต่อเมื่อเมื่อมีการสั่นสะเทือนของคลื่นเสียงเหล่านี้ไปถึงแก้วหูจึงจะสามารถได้ยินเสียงได้
  • ระบบน้ำเหลืองจะมีการเคลื่อนย้ายของเหลวส่วนเกิน ไขมัน และระบบภูมิคุ้มกันที่เกี่ยวข้องทั่วร่างกาย พบว่าน้ำเหลืองเคลื่อนที่ผ่านท่อน้ำเหลืองของผิวหนังด้วยความเร็ว 0.0000097 เมตรต่อวินาที[14]

เซลล์[แก้]

เซลล์ของร่างกายมนุษย์มีโครงสร้างมากมายที่เคลื่อนที่ไปทั่วทั้งร่างกาย

อนุภาค[แก้]

ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ อนุภาคทั้งหมดของสสารมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มคงที่ตราบใดที่อุณหภูมิอยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ ดังนั้นโมเลกุลและอะตอมที่ทำให้ร่างกายมนุษย์มีการสั่นสะเทือน การชนและการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่นี้สามารถตรวจจับได้ว่าเป็นอุณหภูมิที่สูงขึ้นซึ่งเป็นตัวแทนของพลังงานจลน์ที่มากขึ้นในอนุภาคทำให้รู้สึกอบอุ่นกับมนุษย์ที่รู้สึกถึงพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนจากวัตถุที่สัมผัสกับเส้นประสาทของพวกเขา ในทำนองเดียวกันเมื่อสัมผัสวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำลงจะรู้สึกได้ว่ามีการถ่านเทความร้อนออกจากร่างกายทำให้รู้สึกเย็น[18]

อนุภาคย่อยของอะตอม[แก้]

แสง[แก้]

ดูบทความหลักที่: อัตราเร็วของแสง

แสงพุ่งออกไปด้วยอัตราเร็ว 299,792,458 เมตรต่อวินาที โดยประมาณ หรือ 299,792 กิโลเมตรต่อวินาที หรือ 186,282 ไมล์ต่อวินาที อัตราเร็วของแสง (หรือ ) คือ อัตราเร็วของอนุภาคที่ไม่มีมวลและสนามที่สัมพันธ์กันในสูญญากาศ และเป็นขีดจำกัดของความเร็วที่วัตถุและข้อมูลสามารถเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นอัตราเร็วแสงจึงเป็นขีดจำกัดทางกายภาพ

นอกจากนี้อัตราเร็วแสงยังเป็นปริมาณที่คงที่ มีค่าเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งหรือความเร็วของผู้สังเกต คุณสมบัตินี้ทำให้ความเร็วของแสง เป็นหน่วยวัดตามธรรมชาติสำหรับความเร็ว

ประเภทของการเคลื่อนที่[แก้]

การเคลื่อนที่พื้นฐาน[แก้]

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

  1. Wahlin, Lars (1997). "9.1 Relative and absolute motion". The Deadbeat Universe. Boulder, CO: Coultron Research. pp. 121–129. ISBN 0-933407-03-3. สืบค้นเมื่อ 25 January 2013. 
  2. 2.0 2.1 Tyson, Neil de Grasse; Charles Tsun-Chu Liu; Robert Irion (2000). The universe : at home in the cosmos. Washington, DC: National Academy Press. ISBN 0-309-06488-0. 
  3. Safkan, Yasar. "Question: If the term 'absolute motion' has no meaning, then why do we say that the earth moves around the sun and not vice versa?". Ask the Experts. PhysLink.com. http://www.physlink.com/education/askexperts/ae118.cfm. เรียกข้อมูลเมื่อ 25 January 2014. 
  4. Hubble, Edwin, "A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae" (1929) Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Volume 15, Issue 3, pp. 168–173 (Full article, PDF)
  5. Kogut, A.; Lineweaver, C.; Smoot, G. F.; Bennett, C. L.; Banday, A.; Boggess, N. W.; Cheng, E. S.; de Amici, G.; Fixsen, D. J.; Hinshaw, G.; Jackson, P. D.; Janssen, M.; Keegstra, P.; Loewenstein, K.; Lubin, P.; Mather, J. C.; Tenorio, L.; Weiss, R.; Wilkinson, D. T.; Wright, E. L. (1993). "Dipole Anisotropy in the COBE Differential Microwave Radiometers First-Year Sky Maps". Astrophysical Journal 419: 1. Bibcode:1993ApJ...419....1K. arXiv:astro-ph/9312056. doi:10.1086/173453. 
  6. Imamura, Jim (August 10, 2006). "Mass of the Milky Way Galaxy". University of Oregon. Archived from the original on 2007-03-01. https://web.archive.org/web/20070301055338/http://zebu.uoregon.edu/~imamura/123/lecture-2/mass.html. เรียกข้อมูลเมื่อ 2007-05-10. 
  7. Ask an Astrophysicist. NASA Goodard Space Flight Center.
  8. Williams, David R. (September 1, 2004). "Earth Fact Sheet". NASA. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html. เรียกข้อมูลเมื่อ 2007-03-17. 
  9. Staff. "GPS Time Series". NASA JPL. http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html. เรียกข้อมูลเมื่อ 7 ธันวาคม ค.ศ. 2017. 
  10. Huang, Zhen Shao (2001). "Speed of the Continental Plates". In Glenn Elert. The Physics Facebook. http://hypertextbook.com/facts/1997/ZhenHuang.shtml. เรียกข้อมูลเมื่อ 7 ธันวาคม ค.ศ. 2017. 
  11. Meschede, M.; Udo Barckhausen, U. (November 20, 2000). "Plate Tectonic Evolution of the Cocos-Nazca Spreading Center". Proceedings of the Ocean Drilling Program. Texas A&M University. http://www-odp.tamu.edu/publications/170_SR/chap_07/chap_07.htm. เรียกข้อมูลเมื่อ 7 ธันวาคม ค.ศ. 2017. 
  12. Wexler, L.; D H Bergel; I T Gabe; G S Makin; C J Mills (1 September 1968). "Velocity of Blood Flow in Normal Human Venae Cavae". Circulation Research 23 (3): 349–359. doi:10.1161/01.RES.23.3.349. 
  13. Bowen, R (27 May 2006). "Gastrointestinal Transit: How Long Does It Take?". Pathophysiology of the digestive system. Colorado State University. http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/basics/transit.html. เรียกข้อมูลเมื่อ 7 ธันวาคม ค.ศ. 2017. 
  14. M. Fischer; U. K. Franzeck; I. Herrig; U. Costanzo; S. Wen; M. Schiesser; U. Hoffmann; A. Bollinger (1 January 1996). "Flow velocity of single lymphatic capillaries in human skin". Am J Physiol Heart Circ Physiol 270 (1): H358–H363. PMID 8769772. สืบค้นเมื่อ 7 ธันวาคม ค.ศ. 2017. 
  15. "cytoplasmic streaming - biology". Encyclopædia Britannica. http://www.britannica.com/eb/article-9028448/cytoplasmic-streaming. 
  16. "Microtubule Motors". rpi.edu. http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/kinesin.htm. 
  17. Hill, David; Holzwarth, George; Bonin, Keith (2002). "Velocity and Drag Forces on motor-protein-driven Vesicles in Cells". American Physical Society, the 69th Annual Meeting of the Southeastern. abstract. #EA.002. Bibcode:2002APS..SES.EA002H. 
  18. Temperature and BEC. Physics 2000: Colorado State University Physics Department
  19. "Classroom Resources - Argonne National Laboratory". anl.gov. http://www.newton.dep.anl.gov/newton/askasci/1993/physics/PHY112.HTM. 
  20. Chapter 2, Nuclear Science- A guide to the nuclear science wall chart. Berkley National Laboratory.