ທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນ: ຄວາມເຂົ້າໃຈໃນຕອນຕົ້ນກ່ຽວກັບການເຄື່ອນທີ່ ແລະ ແຮງໂນ້ມຖ່ວງ

ທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນ: ຄວາມເຂົ້າໃຈໃນຕອນຕົ້ນກ່ຽວກັບການເຄື່ອນທີ່ ແລະ ແຮງໂນ້ມຖ່ວງ

Pendahuluan

ທ່ານໄອແຊັກ ນິວຕັນ, ໜຶ່ງໃນນັກວິທະຍາສາດທີ່ມີອິດທິພົນທີ່ສຸດໃນປະຫວັດສາດ, ໄດ້ພັດທະນາທິດສະດີທີ່ປະຕິວັດຄວາມເຂົ້າໃຈຂອງພວກເຮົາກ່ຽວກັບຈັກກະວານ. ຜົນງານທີ່ໂດດເດັ່ນຂອງລາວ, “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,” ຈັດພິມໃນປີ 1687, ໄດ້ນຳສະເໜີກົດເກນການເຄື່ອນທີ່ ແລະ ກົດເກນແຮງໂນ້ມຖ່ວງຂອງຈັກກະວານ. ເຖິງແມ່ນວ່າແນວຄວາມຄິດຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບ, ດັ່ງທີ່ເປັນທີ່ຮູ້ຈັກກັນທົ່ວໄປໃນປະຈຸບັນ, ມັກຈະຖືກກ່າວເຖິງໂດຍ ອັລເບີດ ໄອນ໌ສະໄຕນ໌, ແຕ່ແນວຄວາມຄິດຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບໄດ້ຖືກເປີດເຜີຍຢ່າງເປັນທາງການເປັນຄັ້ງທຳອິດໃນສະພາບການຂອງກົນຈັກຄລາສສິກໂດຍ ນິວຕັນ. ບົດຄວາມນີ້ຈະກວດສອບຫຼັກການຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງ ນິວຕັນ, ຜົນສະທ້ອນຂອງມັນຕໍ່ຄວາມເຂົ້າໃຈກ່ຽວກັບການເຄື່ອນໄຫວ ແລະ ແຮງໂນ້ມຖ່ວງ, ແລະວິທີທີ່ແນວຄວາມຄິດເຫຼົ່ານີ້ໄດ້ພັດທະນາຈົນເຖິງຍຸກຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງ ໄອນ໌ສະໄຕນ໌.

ກົດເກນການເຄື່ອນທີ່ຂອງນິວຕັນ

ກົດເກນການເຄື່ອນທີ່ຂອງນິວຕັນແມ່ນພື້ນຖານຂອງກົນຈັກແບບຄລາສສິກ ແລະ ປະກອບດ້ວຍກົດເກນສາມຢ່າງທີ່ກຳນົດຄວາມສຳພັນລະຫວ່າງການເຄື່ອນທີ່ຂອງວັດຖຸ ແລະ ແຮງທີ່ກະທຳຕໍ່ມັນ. ກົດເກນທັງສາມຢ່າງນີ້ຄື:

1. ກົດເກນຂໍ້ທີໜຶ່ງຂອງນິວຕັນ (ກົດເກນຂອງຄວາມเฉื่อย):
"ທຸກໆວັດຖຸຈະຍັງຄົງຢຸດນິ້ງ ຫຼື ເຄື່ອນທີ່ດ້ວຍຄວາມໄວຄົງທີ່ໃນເສັ້ນຊື່ ເວັ້ນເສຍແຕ່ວ່າແຮງພາຍນອກຈະມາປ່ຽນແປງສະຖານະນັ້ນ."

ກົດໝາຍສະບັບນີ້ເນັ້ນໜັກເຖິງຄວາມສຳຄັນຂອງຄວາມเฉื่อย, ເຊິ່ງເປັນແນວໂນ້ມຂອງວັດຖຸທີ່ຈະຮັກສາສະພາບການເຄື່ອນທີ່ຂອງມັນ. ໃນສະພາບການຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບ, ນີ້ໝາຍຄວາມວ່າການເຄື່ອນທີ່ສຳພັນລະຫວ່າງສອງວັດຖຸຈະບໍ່ປ່ຽນແປງ ເວັ້ນເສຍແຕ່ວ່າມີການໃຊ້ແຮງ.

2. ກົດເກນຂໍ້ທີສອງຂອງນິວຕັນ:
"ຄວາມເລັ່ງຂອງວັດຖຸແມ່ນສັດສ່ວນໂດຍກົງກັບແຮງທີ່ກະທຳຕໍ່ມັນ ແລະ ສັດສ່ວນກົງກັນຂ້າມກັບມວນສານຂອງມັນ. ໃນທາງຄະນິດສາດ, ນີ້ສະແດງອອກເປັນ F = ma."

ໃນທີ່ນີ້, ແຮງ (F) ແມ່ນຜົນຄູນຂອງມວນສານ (m) ແລະ ຄວາມເລັ່ງ (a). ກົດໝາຍນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າການເຄື່ອນທີ່ຂອງວັດຖຸສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ແນວໃດໂດຍການນຳໃຊ້ແຮງ. ໃນສະພາບການຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບ, ນີ້ໝາຍຄວາມວ່າແຮງທີ່ກະທຳຕໍ່ວັດຖຸຈະປ່ຽນແປງການເຄື່ອນທີ່ທີ່ກ່ຽວຂ້ອງຂອງມັນ.

3. ກົດເກນທີສາມຂອງນິວຕັນ:
"ທຸກໆການກະທຳຈະສ້າງປະຕິກິລິຍາທີ່ເທົ່າທຽມກັນ ແລະ ກົງກັນຂ້າມ."

ກົດໝາຍສະບັບນີ້ອະທິບາຍວ່າແຮງມັກຈະເກີດຂຶ້ນເປັນຄູ່ສະເໝີ. ຖ້າວັດຖຸ A ອອກແຮງໃສ່ວັດຖຸ B, ວັດຖຸ B ຈະອອກແຮງເທົ່າກັນແຕ່ກົງກັນຂ້າມໃສ່ວັດຖຸ A. ສິ່ງນີ້ມີຄວາມສຳຄັນໃນການເຂົ້າໃຈການພົວພັນລະຫວ່າງວັດຖຸຕ່າງໆໃນລະບົບປິດ.

ກົດເກນແຮງໂນ້ມຖ່ວງຂອງນິວຕັນ

ກົດແຮງໂນ້ມຖ່ວງຂອງນິວຕັນລະບຸວ່າທຸກໆອະນຸພາກໃນຈັກກະວານດຶງດູດທຸກໆອະນຸພາກອື່ນໆດ້ວຍແຮງທີ່ສັດສ່ວນໂດຍກົງກັບຜົນຄູນຂອງມວນສານຂອງສອງອະນຸພາກ ແລະ ສັດສ່ວນກົງກັນຂ້າມກັບກຳລັງສອງຂອງໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງພວກມັນ. ໃນທາງຄະນິດສາດ, ກົດນີ້ຖືກລະບຸດັ່ງນີ້:

\[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \]

ຢູ່ໃສ:
-\( F\) ແມ່ນແຮງໂນ້ມຖ່ວງລະຫວ່າງສອງອະນຸພາກ.
-\(G\) ແມ່ນຄ່າຄົງທີ່ຂອງແຮງໂນ້ມຖ່ວງສາກົນ.
-\( m_1\) ແລະ \( m_2\) ແມ່ນມວນສານຂອງສອງອະນຸພາກ.
–\( r\) ແມ່ນໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງຈຸດໃຈກາງມວນສານຂອງສອງອະນຸພາກ.

ກົດແຮງໂນ້ມຖ່ວງຂອງນິວຕັນໄດ້ໃຫ້ພື້ນຖານສຳລັບຄວາມເຂົ້າໃຈປະກົດການຕ່າງໆເຊັ່ນ: ວົງໂຄຈອນຂອງດາວເຄາະ ແລະ ການເຄື່ອນທີ່ຂອງວັດຖຸຕ່າງໆເທິງໜ້າໂລກ. ມັນຍັງມີບົດບາດສຳຄັນໃນແນວຄິດຂອງນິວຕັນກ່ຽວກັບທິດສະດີສຳພັນພາບ, ຍ້ອນວ່າແຮງໂນ້ມຖ່ວງແມ່ນແຮງທີ່ສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ການເຄື່ອນທີ່ສຳພັນຂອງວັດຖຸໃນສະໜາມແຮງໂນ້ມຖ່ວງ.

ທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນ

ທິດສະດີສຳພັນພາບແບບນິວຕັນ, ຫຼື ເວົ້າໃຫ້ຊັດເຈນກວ່ານັ້ນ, ຫຼັກການສຳພັນພາບແບບນິວຕັນ, ແມ່ນແນວຄວາມຄິດທີ່ວ່າກົດໝາຍຂອງຟີຊິກທີ່ນຳໃຊ້ໃນກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อยອັນໜຶ່ງຍັງນຳໃຊ້ໄດ້ໃນກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อยອື່ນໆທັງໝົດ. ນີ້ໝາຍຄວາມວ່າບໍ່ມີກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อยພິເສດ; ກົດໝາຍທັງໝົດຂອງການເຄື່ອນທີ່ນຳໃຊ້ເທົ່າທຽມກັນໃນກອບໃດກໍ່ຕາມທີ່ເຄື່ອນທີ່ດ້ວຍຄວາມໄວຄົງທີ່ທຽບກັບກັນ ແລະ ກັນ.

ຫຼັກການຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບແບບຄລາສສິກ

ຫຼັກການສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນສາມາດສະຫຼຸບໄດ້ດັ່ງຕໍ່ໄປນີ້:
- ການຫັນປ່ຽນແບບກາລິເລນ: ສົມຜົນການເຄື່ອນທີ່ໃນກອບອ້າງອີງແບບ inertial ສາມາດປ່ຽນຈາກກອບໜຶ່ງໄປຫາອີກກອບໜຶ່ງທີ່ເຄື່ອນທີ່ທຽບກັບກອບທຳອິດດ້ວຍຄວາມໄວຄົງທີ່ໂດຍບໍ່ຕ້ອງປ່ຽນຮູບແບບຂອງສົມຜົນ.

ການຫັນປ່ຽນ Galilean ອະທິບາຍວ່າພິກັດອະວະກາດ-ເວລາປ່ຽນແປງແນວໃດລະຫວ່າງສອງກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อย. ສົມມຸດວ່າມີກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อยສອງອັນຄື S ແລະ S', ບ່ອນທີ່ S' ເຄື່ອນທີ່ດ້ວຍຄວາມໄວຄົງທີ່ \( v \) ທຽບກັບ S. ຖ້າ \( (x, y, z, t) \) ແມ່ນພິກັດໃນກອບ S ແລະ \( (x', y', z', t') \) ແມ່ນພິກັດໃນກອບ S', ຫຼັງຈາກນັ້ນການຫັນປ່ຽນ Galilean ສາມາດສະແດງໄດ້ດັ່ງນີ້:

\[ x' = x – vt \]
\[ ຢ' = ຢ \]
\[ ຊ' = ຊ \]
\[ ທີ' = ທີ \]

ການຫັນປ່ຽນນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າເວລາແມ່ນແນ່ນອນ ແລະ ຄືກັນໃນທຸກໆກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อย, ເຊິ່ງເປັນມຸມມອງພື້ນຖານໃນກົນຈັກຄລາສສິກ.

ຜົນສະທ້ອນຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນ

ທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນມີຜົນສະທ້ອນທີ່ສຳຄັນຫຼາຍຢ່າງໃນຟີຊິກຄລາສສິກ:

1. ຄວາມเฉื่อย ແລະ ການເຄື່ອນທີ່ສຳພັນ:
ວັດຖຸທີ່ເຄື່ອນທີ່ດ້ວຍຄວາມໄວຄົງທີ່ໃນກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อยອັນໜຶ່ງຈະຍັງຄົງເຄື່ອນທີ່ດ້ວຍຄວາມໄວຄົງທີ່ໃນກອບອ້າງອີງຄວາມเฉื่อยອີກອັນໜຶ່ງ, ອີງຕາມຫຼັກການຄວາມเฉื่อยຂອງນິວຕັນ. ນີ້ໝາຍຄວາມວ່າການເຄື່ອນທີ່ສຳພັນລະຫວ່າງສອງວັດຖຸຈະບໍ່ປ່ຽນແປງເວັ້ນເສຍແຕ່ວ່າແຮງຈະມາກະທົບໃສ່ພວກມັນ.

2. ການອະນຸລັກໂມເມນຕຳ:
ໃນກອບອ້າງອີງແບບ inertial, ໂມເມນຕຳທັງໝົດຂອງລະບົບປິດຍັງຄົງທີ່ຖ້າບໍ່ມີແຮງພາຍນອກມາກະທົບກັບລະບົບ. ຫຼັກການນີ້ແມ່ນພື້ນຖານຂອງກົດໝາຍວ່າດ້ວຍການອະນຸລັກໂມເມນຕຳ, ເຊິ່ງມີຄວາມສຳຄັນໃນການເຂົ້າໃຈການປະທະ ແລະ ການພົວພັນລະຫວ່າງວັດຖຸຕ່າງໆ.

3. ແຮງໂນ້ມຖ່ວງ ແລະ ການເຄື່ອນທີ່ຂອງວົງໂຄຈອນ:
ກົດແຮງໂນ້ມຖ່ວງຂອງນິວຕັນຊ່ວຍໃຫ້ພວກເຮົາສາມາດຄາດຄະເນການເຄື່ອນທີ່ຂອງດາວເຄາະ ແລະ ວັດຖຸທາງດາລາສາດອື່ນໆ. ໃນສະພາບການຂອງທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນ, ດາວເຄາະທັງໝົດປະຕິບັດຕາມກົດແຮງໂນ້ມຖ່ວງດຽວກັນ ແລະ ປະພຶດຕົວຕາມກົດການເຄື່ອນທີ່ຂອງນິວຕັນໃນກອບອ້າງອີງການเฉื่อยຂອງພວກມັນ.

ການຫັນປ່ຽນໄປສູ່ທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງໄອນ໌ສະໄຕນ໌

ເຖິງແມ່ນວ່າທິດສະດີສຳພັນພາບແບບນິວຕັນໄດ້ໃຫ້ພື້ນຖານທີ່ໜັກແໜ້ນສຳລັບການເຂົ້າໃຈການເຄື່ອນໄຫວ ແລະ ແຮງໂນ້ມຖ່ວງ, ແຕ່ມັນກໍມີຂໍ້ຈຳກັດ. ປະກົດການບາງຢ່າງ, ເຊັ່ນ: ຄວາມໄວຄົງທີ່ຂອງແສງ ແລະ ຜົນກະທົບສຳພັນພາບທີ່ຄວາມໄວສູງ, ບໍ່ສາມາດອະທິບາຍໄດ້ດ້ວຍກົນຈັກແບບນິວຕັນຄລາສສິກ. ສິ່ງນີ້ນຳໄປສູ່ການພັດທະນາທິດສະດີສຳພັນພາບພິເສດ ແລະ ທິດສະດີສຳພັນພາບທົ່ວໄປຂອງ Albert Einstein ໃນຕົ້ນສະຕະວັດທີ 20.

ທິດສະດີສຳພັນພາບພິເສດ

ທິດສະດີພິເສດກ່ຽວກັບສຳພັນພາບຂອງໄອນ໌ສະໄຕນ໌, ເຊິ່ງໄດ້ນຳສະເໜີໃນປີ 1905, ໄດ້ປັບປຸງສົມມຸດຕິຖານພື້ນຖານຫຼາຍຢ່າງຂອງກົນຈັກຂອງນິວຕັນ. ໜຶ່ງໃນສົມມຸດຕິຖານຫຼັກຂອງມັນແມ່ນວ່າຄວາມໄວຂອງແສງໃນສູນຍາກາດແມ່ນຄົງທີ່ ແລະ ບໍ່ຂຶ້ນກັບຄວາມໄວຂອງຜູ້ສັງເກດການ. ສິ່ງນີ້ຂັດກັບທັດສະນະຂອງນິວຕັນກ່ຽວກັບເວລາຢ່າງແທ້ຈິງ ແລະ ນຳໄປສູ່ແນວຄວາມຄິດຂອງການຂະຫຍາຍເວລາ ແລະ ການຫົດຕົວຂອງຄວາມຍາວໃນຄວາມໄວສຳພັນພາບ.

ທິດສະດີສຳພັນພາບທົ່ວໄປ

ທິດສະດີສຳພັນພາບທົ່ວໄປ, ເຊິ່ງໄດ້ຈັດພິມໂດຍໄອນ໌ສະໄຕນ໌ໃນປີ 1915, ໄດ້ປ່ຽນແທນກົດໝາຍວ່າດ້ວຍແຮງໂນ້ມຖ່ວງຂອງນິວຕັນດ້ວຍແນວຄວາມຄິດທີ່ວ່າແຮງໂນ້ມຖ່ວງແມ່ນຄວາມໂຄ້ງຂອງອະວະກາດ-ເວລາທີ່ເກີດຈາກມວນສານ ແລະ ພະລັງງານ. ທິດສະດີນີ້ອະທິບາຍປະກົດການແຮງໂນ້ມຖ່ວງທີ່ເຂັ້ມແຂງໄດ້ຢ່າງຖືກຕ້ອງກວ່າ, ເຊັ່ນ: ວົງໂຄຈອນຂອງດາວພຸດ ແລະ ຂຸມດຳ, ເຊິ່ງກົດໝາຍວ່າດ້ວຍແຮງໂນ້ມຖ່ວງຂອງນິວຕັນບໍ່ສາມາດອະທິບາຍໄດ້.

ສະຫຼຸບ

ທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນ, ພ້ອມດ້ວຍກົດເກນການເຄື່ອນທີ່ ແລະ ແຮງໂນ້ມຖ່ວງທົ່ວໄປ, ເປັນພື້ນຖານທີ່ສຳຄັນຂອງຟີຊິກຄລາສສິກທີ່ໄດ້ປ່ຽນແປງຄວາມເຂົ້າໃຈຂອງພວກເຮົາກ່ຽວກັບຈັກກະວານ. ຫຼັກການສຳພັນພາບຂອງນິວຕັນໃຫ້ມຸມມອງທີ່ສອດຄ່ອງກັນກ່ຽວກັບການເຄື່ອນໄຫວ ແລະ ການພົວພັນໃນກອບອ້າງອີງການเฉื่อย. ເຖິງແມ່ນວ່າໃນທີ່ສຸດຈະຖືກທົດແທນໂດຍທິດສະດີສຳພັນພາບຂອງໄອນ໌ສະໄຕນ໌, ແຕ່ມໍລະດົກຂອງນິວຕັນຍັງຄົງເປັນພື້ນຖານທີ່ມີພະລັງສຳລັບການສຶກສາ ແລະ ເຂົ້າໃຈປະກົດການທຳມະຊາດ, ຕັ້ງແຕ່ການເຄື່ອນທີ່ຂອງດາວເຄາະຈົນເຖິງການເຄື່ອນໄຫວປະຈຳວັນ.