บทความเกี่ยวกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
1. นิยามของแรง
แรง คือ สิ่งที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง แรงคือ สิ่งที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ หยุด หรือเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นจึงมีทั้งขนาดและทิศทาง สัญลักษณ์ของแรงคือ F (Force) F เป็นสัญลักษณ์ทั่วไปของแรง มีแรงหลายประเภท และไม่ใช่ทุกแรงจะมีสัญลักษณ์ F หน่วยในระบบสากลคือ กิโลกรัมเมตรต่อวินาที² หรือนิวตัน
2. นิยามของแรงลัพธ์
แรงลัพธ์ (ΣF) คือผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ ดังนั้นแรงรวมจึงคำนวณโดยใช้กฎการบวกเวกเตอร์
แรงรวมเท่ากับ 10 นิวตัน โดยมีทิศทางของแรงรวมไปทางขวา
แรงรวมเท่ากับ 8 นิวตัน โดยมีทิศทางของแรงรวมไปทางขวา
แรงรวม = 0
แรงรวม = 0
3. กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเป็นกฎทางฟิสิกส์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ ซึ่งเสนอโดยไอแซค นิวตัน นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ
3.1 กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน
กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันกล่าวว่า วัตถุทุกชนิดที่หยุดนิ่งจะยังคงหยุดนิ่ง หรือวัตถุทุกชนิดที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ จะยังคงหยุดนิ่งต่อไป
วัตถุจะเคลื่อนที่ตรงไปข้างหน้าด้วยความเร็วคงที่ต่อไป หากแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์
ΣF = 0
สมการนี้เป็นข้อความทางคณิตศาสตร์จากกฎข้อแรกของนิวตัน
ลองพิจารณาวัตถุรอบตัวคุณ เช่น โต๊ะ ก้อนหิน หรือวัตถุใดๆ โต๊ะที่อยู่นิ่งก็จะยังคงอยู่นิ่งหากไม่ถูกเคลื่อนย้ายหรือได้รับแรงภายนอก เช่น แรงผลักหรือแรงดึง ไม่มีแรงใดๆ กระทำต่อโต๊ะ ก้อนหิน หรือวัตถุที่อยู่นิ่งเลยหรือ? ความจริงแล้วมีแรงกระทำต่อวัตถุ แต่ผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุหรือแรงทั้งหมดนั้นเป็นศูนย์ แรงที่กระทำต่อวัตถุที่อยู่บนพื้นผิวของดาวเคราะห์ เช่น โลก คือ แรงโน้มถ่วง (w) และแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก (N) ทิศทางของแรงโน้มถ่วงตั้งฉากกับศูนย์กลางของโลก ทิศทางของแรงปฏิกิริยาตั้งฉากขึ้นด้านบน ขนาดของแรงทั้งสองนี้เท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นแรงทั้งหมดจึงเท่ากับศูนย์
แล้วถ้าเป็นวัตถุที่เคลื่อนที่ตรงๆ ด้วยความเร็วคงที่ล่ะ? เพื่อให้เข้าใจปัญหานี้ได้ชัดเจนขึ้น สมมติว่าคุณผลักวัตถุชิ้นหนึ่ง เช่น แผ่นโลหะ บนพื้น หลังจากถูกผลักแล้ว โลหะจะชะลอตัวและหยุดลงเนื่องจากแรงเสียดทาน เพื่อให้แผ่นโลหะเคลื่อนที่ได้ไกลขึ้นหรือนานขึ้น คุณต้องทำให้พื้นและพื้นผิวของแผ่นโลหะเรียบ ถ้าพื้นเรียบและไม่มีแรงเสียดทาน แผ่นโลหะก็จะเคลื่อนที่ต่อไปและไม่หยุด แล้วถ้าพื้นเรียบสนิทและไม่มีแรงเสียดทานล่ะ ไม่มีแรงใดๆ กระทำต่อแผ่นโลหะที่กำลังเคลื่อนที่อยู่บนพื้นเรียบสนิทเลยหรือ? จริงๆ แล้วมีแรงที่กระทำต่อแผ่นโลหะอยู่ นั่นคือ แรงโน้มถ่วงและแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก แรงทั้งสองนี้กระทำในทิศทางแนวตั้งและไม่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของแผ่นโลหะในทิศทางแนวนอนหากพื้นเรียบ
กฎข้อที่สองของนิวตันกล่าวว่า ถ้าแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุไม่เท่ากับศูนย์ วัตถุนั้นจะเกิดความเร่ง ขนาดของความเร่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของแรงทั้งหมด และแปรผกผันกับมวลของวัตถุ ทิศทางของความเร่งจะเป็นทิศทางเดียวกับทิศทางของแรงทั้งหมด
ΣF = ma
ΣF = แรงรวม (กก. ม./วินาที² ), m = มวล (กก.), a = ความเร่ง (ม./วินาที² )
สมการ 1.2 เป็นข้อความทางคณิตศาสตร์จากกฎข้อที่สองของนิวตัน
ถ้าความเร่งเท่ากับศูนย์ (a = 0) สมการ 1.2 จะเปลี่ยนเป็นสมการ 1.1 ดังนั้น กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันจึงเป็นกรณีพิเศษของกฎข้อที่สองของนิวตัน จากสมการ 1.2 สรุปได้ว่า ยิ่งแรงมาก ความเร่งก็ยิ่งมาก ในทางกลับกัน ยิ่งมวลมาก ความเร่งก็ยิ่งน้อยลง ความสัมพันธ์ระหว่างแรง มวล และความเร่งจะเข้าใจได้ดียิ่งขึ้นหลังจากที่คุณได้ทำการทดลองเกี่ยวกับเรื่องนี้แล้ว
ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 1:
จงหาขนาดและทิศทางของความเร่งของวัตถุโดยอ้างอิงจากรูปด้านบน…
วิธีการแก้:
ΣF = ma
4 กก. ม./วินาที² = (1 กก.) ก
a = 4 กิโลกรัม เมตรต่อวินาที2 : 1 กิโลกรัม = 4 เมตรต่อวินาที2
ขนาดของความเร่ง = 4 m/s² ทิศทางของความเร่งไปทางขวา
ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 2:
จงหาขนาดและทิศทางของความเร่งจากรูปด้านบน...
วิธีการแก้:
ΣF = ma
4 กก. ม./วินาที2 – 1 กก. ม./วินาที2 = (1 กก.)
3 กก. ม./วินาที² = (1 กก.) ก
a = 3 กก. ม./วินาที² : 1 กก.
a = 3 ม./วินาที²
ขนาดของความเร่ง = 3 m/s² ทิศทางของความเร่งไปทางขวา
3.2.1 น้ำหนัก (วัตต์)
น้ำหนัก คือ แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุที่มีมวล
ΣF = ma
w = มก.
สมการ 1.3 คือสมการสำหรับคำนวณน้ำหนักของวัตถุ
w = น้ำหนัก (กก. ม./วินาที² ), m = มวล (กก.), g = ความเร่งโน้มถ่วง (ม./วินาที² ). ขนาดของความเร่งโน้มถ่วง (g) บนพื้นผิวโลกคือ 9.8 ม./วินาที²เพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น จึงปัดค่า g เป็น 10 ม./ วินาที²
3.2.2 แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก (N)
แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก คือ แรงที่กระทำต่อวัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกัน โดยทิศทางของแรงปฏิกิริยาตั้งฉากจะตั้งฉากกับพื้นผิวของระนาบที่สัมผัสกัน
สังเกตวัตถุที่ยังคงอยู่เหนือพื้นโต๊ะ แรงโน้มถ่วงหรือน้ำหนักก็กระทำต่อวัตถุด้วย วัตถุจะไม่ตกลงมาอย่างอิสระเหมือนผลไม้ที่ร่วงจากต้นไม้ เพราะมีแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก น้ำหนัก (w) และแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก (N) มีค่าเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน ดังนั้นแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุจึงเป็นศูนย์
ΣF = 0
N – w = 0
เอ็น = ว
3.3 กฎข้อที่สามของนิวตัน
กฎข้อที่สามของนิวตันกล่าวว่า ถ้าวัตถุที่ 1 ออกแรงกระทำต่อวัตถุที่ 2 ในเวลาเดียวกัน วัตถุที่ 2 ก็จะออกแรงกระทำต่อวัตถุที่ 1 เช่นกัน แรงทั้งสองเท่ากัน แต่ทิศทางของแรงทั้งสองตรงข้ามกัน แรงหนึ่งเรียกว่าแรงกระทำ อีกแรงหนึ่งเรียกว่าแรงปฏิกิริยา
การกระทำ F = – ปฏิกิริยา F
สมการ 1.3 เป็นข้อความทางคณิตศาสตร์จากกฎข้อที่สามของนิวตัน เครื่องหมายลบในสมการ 1.3 อธิบายทิศทางของแรง
ทดลองเพื่อทำความเข้าใจกฎข้อที่สามของนิวตันให้ดียิ่งขึ้น ถ้าคุณมีสเก็ตบอร์ด ให้ยืนบนสเก็ตบอร์ดแล้วผลักกำแพง หลังจากผลักกำแพงแล้ว สเก็ตบอร์ดจะเคลื่อนที่ถอยหลัง ทิศทางของแรงที่คุณกระทำคือไปข้างหน้า ในขณะที่ทิศทางของสเก็ตบอร์ดคือไปข้างหลัง
นี่แสดงให้เห็นว่ากำแพงก็ออกแรงกระทำต่อคุณเช่นกัน เมื่อคุณผลักกำแพง ในขณะเดียวกัน กำแพงก็ผลักคุณกลับ แรงผลักของคุณส่งผลต่อกำแพง ในขณะที่แรงผลักของกำแพงส่งผลต่อคุณ แรงทั้งสองอยู่ในทิศทางเดียวกันแต่ตรงกันข้าม คุณอาจเรียกแรงหนึ่งว่าแรงกระทำ และอีกแรงหนึ่งว่าแรงปฏิกิริยา
อีกหนึ่งการทดลองที่สามารถทำได้คือ การเป่าลูกโป่งยาง และหลังจากที่ลูกโป่งยางขยายตัวเพราะเต็มไปด้วยอากาศแล้ว ให้ปล่อยลูกโป่งนั้นออกไป หลังจากปล่อยแล้ว ลูกโป่งก็จะ "ลอย" ไปในอากาศ ทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกโป่งจะตรงข้ามกับทิศทางที่อากาศออกจากลูกโป่ง จะอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างไร?
เมื่อปล่อยปากลูกโป่ง ลูกโป่งจะดันอากาศออกมา ในขณะเดียวกัน อากาศก็จะดันลูกโป่งด้วย แรงดันอากาศทำให้ลูกโป่งลอยขึ้น แรงที่กระทำต่อลูกโป่งทำให้เกิดการเล่น แรงที่กระทำต่ออากาศนั้นเหมือนกัน แต่ทิศทางตรงกันข้าม
สังเกตภาพที่ 2 และเปรียบเทียบกับภาพที่ 3 แรงปฏิกิริยาตั้งฉากที่กระทำต่อวัตถุ (N) คือแรงที่เกิดจากพื้นผิวเรียบ เช่น พื้นโต๊ะ ในขณะเดียวกัน วัตถุก็ออกแรงกระทำต่อพื้นโต๊ะเช่นกัน (N') แรงปฏิกิริยาตั้งฉากทั้งสอง (N และ N') มีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้ามและกระทำต่อวัตถุต่างกัน ซึ่งแตกต่างจาก w และ N ที่มีขนาดเท่ากันและกระทำต่อวัตถุเดียวกัน ดังนั้น N และ N' จึงเป็นแรงกิริยา-ปฏิกิริยา
