กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เป็นกฎทางกายภาพสามข้อที่เป็นรากฐานของกลศาสตร์คลาสสิก ใช้สำหรับอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างวัตถุกับแรงที่กระทำต่อวัตถุกับการเคลื่อนที่เนื่องจากแรงเหล่านั้น โดยที่กฎข้อแรกคือนิยามของแรง กฎข้อที่สองให้วิธีการวัดแรงเชิงปริมาณ และกฎหมายที่สามอ้างว่าไม่มีกำลังโดดเดี่ยว ในช่วงสามร้อยปีที่ผ่านมา กฎสามข้อนี้ถูกตีความไปหลายวิธี

Sir Isaac Newton เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษที่เกิดในปี 1642 นิวตันสนใจเรื่องดาราศาสตร์ และประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงกล้องโทรทรรศน์) โดยใช้เงาโลหะเว้าเพื่อเว้าแสง แทนการใช้เลนส์เช่นในกล้องโทรทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์หักเหของนิวตันรู้สึกทึ่งกับความลึกลับที่ว่า แรงอะไรที่ทำให้แอปเปิลตกลงมา? ที่ดินและตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก และสิ่งนี้ทำให้เขาค้นพบกฎสำคัญสามข้อ

  • กฎข้อที่ 1 ΣF = 0 หรือกฎความเฉื่อย
    “วัตถุคงสภาพนิ่ง หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดียวกันเมื่อแรงลัพธ์ต่อวัตถุมีค่าเท่ากับศูนย์”

เช่น วัตถุที่อยู่กับที่ เช่น iPad ที่อยู่กับที่ จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงหากไม่มีอะไรเกี่ยวข้อง
รถเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 60 กม./ชม. จะยังคงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิมจนกว่าเราจะเหยียบเบรกหรือคันเร่ง
เชือกดึงทั้งสองด้านด้วยแรงเท่ากัน จะหยุดอยู่ที่ตำแหน่งเดิม มีแรง 2 แรงที่กระทำต่อเชือก แต่กระทำในทิศทางตรงกันข้าม ดึงขนาดเท่ากันจึงหักล้างกัน ให้เชือกอยู่ตรงกลาง

  • กฎข้อที่ 2 ΣF = ma หรือกฎความเร่ง
    “เมื่อแรงลัพธ์ไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ วัตถุนั้นจะเร่งความเร็วไปในทิศทางเดียวกับแรงลัพท์นั้น”

เช่น เตะฟุตบอล ฟุตบอลเคลื่อนที่ไปในทิศทางของการเตะ เนื่องจากการเร่งความเร็วจากเท้าถีบ
เมื่อเราออกแรงเหมือนกันเพื่อดันรถไปข้างหน้า รถที่มีมวลมากกว่าจะเคลื่อนที่ช้ากว่ารถที่ไม่มีมัน เพราะความเร่งแปรผกผันกับมวลของวัตถุเอง
หินที่ขว้างลงมาจากยอดเขา ยิ่งลงหินยิ่งเร็ว เนื่องจากความเร่งของแรงโน้มถ่วงโลก

  • กฎข้อที่ 3 (แรงกระทำ = แรงปฏิกิริยา)
    “แรงปฏิกิริยา-ปฏิกิริยาเป็นแรงที่มีขนาดเท่ากัน แต่ไปในทิศทางตรงกันข้ามและกระทำต่อวัตถุต่างๆ” ( Action = Reaction )

เช่น ในขณะที่คนกำลังพายเรือจะผลักไม้พายไปข้างหลังและความเร่ง มีแรงที่ไม้พายออกแรงบนน้ำ เป็นการกระทำและน้ำจะดันไม้พายไปข้างหน้า ซึ่งเป็นแรงปฏิกิริยา ส่งผลให้เรือเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แรงที่กระทำโดยไม้พายบนน้ำ เท่ากับขนาดของแรงที่กระทำโดยน้ำบนไม้พาย แต่ในทิศทางตรงกันข้าม
ชายคนแรกต่อยชายคนที่สอง ชายผู้ถูกต่อยที่หน้า และคนที่ต่อยเขาทำร้ายมือของเขาด้วย ยิ่งต่อยแรงเท่าไหร่ก็ยิ่งเจ็บมือมากเท่านั้น

มีอะไรบ้าง? กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน Sir Isaac Newton เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษที่เกิดในปี 1642 นิวตันสนใจเรื่องดาราศาสตร์ และประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงโดยใช้เงาโลหะเว้าเพื่อเว้าแสง แทนการใช้เลนส์เช่นในกล้องโทรทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์หักเหของนิวตันรู้สึกทึ่งกับความลึกลับที่ว่า แรงอะไรที่ทำให้แอปเปิลตกลงมา? ที่ดินและตรึงดวงจันทร์ไว้กับพื้นโลก และสิ่งนี้ทำให้เขาค้นพบกฎสำคัญประการหนึ่ง นิวตันอธิบายว่าในอวกาศไม่มีอากาศ ดาวเคราะห์จึงเคลื่อนที่โดยไม่มีแรงเสียดทาน ด้วยความเร็วคงที่และมีทิศทางเป็นเส้นตรง เขาให้ความเห็นว่า ดาวเคราะห์โคจรเป็นวงรี เพราะมีแรงภายนอกมากระทำ (แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์) นิวตันตั้งข้อสังเกตว่า แรงดึงดูดที่ทำให้แอปเปิลตกลงสู่พื้นเป็นแรงเดียวกับแรงที่ยึดดวงจันทร์ไว้บนพื้นโลก โดยปราศจากแรงโน้มถ่วงของโลก ดวงจันทร์คงจะเคลื่อนเป็นเส้นตรงผ่าน โลก

นอกจากกฎ 3 ข้อข้างต้นแล้ว คุณยังควรรู้สูตรสำคัญ 11 สูตรที่เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของเราหรือที่เรามักทำข้อสอบอีกด้วย

  • แรงกระทำในแนวราบ
  • วัตถุเคลื่อนที่ในแนวนอน
  • วัตถุบนพื้นลาดเอียง
  • แรงยก, การขับเคลื่อนเชื้อเพลิง
  • ลิฟต์
  • ดึงวัตถุ
  • ระบบรอก
  • มวลถูกผูกเข้าด้วยกัน
  • วางมวลไว้ใกล้กัน
  • ผู้ชายหรือลิงปีนเชือก

แรงโน้มถ่วง

แรงโน้มถ่วงหรือแรงโน้มถ่วงในฟิสิกส์คือแรงที่กระทำระหว่างมวล กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในสี่กองกำลังหลัก ซึ่งรวมถึงแรงโน้มถ่วง, แม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอและแรงนิวเคลียร์อย่างแรงของสี่กองกำลังหลัก แรงโน้มถ่วงน้อยที่สุด. แม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะเป็นแรงที่เราไม่สามารถรับรู้ได้มากนักเนื่องจากความละเอียดอ่อนของแรงที่กระทำต่อเรา แต่เป็นพลังเดียวที่ยึดเราไว้กับพื้นโลก แรงโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวล และเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง ไม่มีการลดทอนหรือการดูดซับเนื่องจากมวลใดๆ ทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงสำคัญในการยึดจักรวาลไว้ด้วยกัน นอกจากแรงดึงดูดระหว่างมวล ความโน้มถ่วงยังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อเราเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เช่น การเพิ่มหรือลดความเร็วของวัตถุ เปลี่ยนทิศทางของการเคลื่อนไหว ฯลฯ

กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน แรงโน้มถ่วงของโลกคือแรงที่โลกกระทำต่อทุกวัตถุ โดยมีทิศทางมุ่งสู่ศูนย์กลางโลก เป็นแรงที่ยึดวัตถุเข้ากับโลก มิฉะนั้น วัตถุหรือแม้แต่บรรยากาศจะปลิวไปในอากาศ นิวตันค้นพบธรรมชาติพื้นฐานของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นใดๆ ในปี ค.ศ. 1687 นิวตันได้ตีพิมพ์กฎแรงโน้มถ่วงพร้อมกับกฎการเคลื่อนที่สามข้อของเขา ดังนี้ “สำหรับทุกอนุภาคของสสาร จักรวาลดึงดูดอนุภาคอื่น ๆ ด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนกับผลคูณของมวลของอนุภาคและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกมัน”

  • โดยที่ F คือแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลทั้งสอง
  • G คือค่าคงตัวโน้มถ่วงสากล
  • m1 คือมวลของวัตถุชิ้นแรก
  • m2 คือมวลของวัตถุชิ้นที่สอง
  • r แทนระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

นั่นคือแรงโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวล (มวลมากกว่าความโน้มถ่วงมากกว่า) และเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง (ยิ่งระยะทางไกล แรงโน้มถ่วงยิ่งน้อย)

การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วง

วัตถุในสนามโน้มถ่วงของโลกถูกดึงดูดโดยโลก ดังนั้นเมื่อปล่อยวัตถุให้ตกลงมาใกล้พื้นผิวโลก แรงโน้มถ่วงจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น กล่าวคือ มันจะเร่งความเร็วขึ้นกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

วัตถุที่มีมวลต่างกันในสนามโน้มถ่วงของวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่ที่เรียกว่าความเร่งโน้มถ่วง (ความเร่งโน้มถ่วง) มีทิศทางมุ่งสู่ศูนย์กลางโลก ความเร่งโน้มถ่วงที่พื้นผิวโลก มีค่าต่างๆ ตามตำแหน่งทาง ภูมิศาสตร์ของวัตถุที่ตกลงมา วัตถุเคลื่อนที่ลงด้านล่างด้วยความเร่งโน้มถ่วง 9.8 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง ซึ่งหมายความว่าความเร็วของวัตถุเพิ่มขึ้น 9.8 เมตรต่อวินาที

หากโยนวัตถุในแนวตั้ง วัตถุในสนามโน้มถ่วงจะเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่งโน้มถ่วง g เข้าหาศูนย์กลางของโลก ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ลดความเร็วลง 9.8 เมตรต่อวินาทีต่อวินาที จนความเร็วสุดท้ายเป็นศูนย์ แล้วดึงวัตถุกลับคืนสู่พื้นโลกด้วยความเร่งเท่าเดิม

การเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงของวัตถุใกล้ผิวโลก หากพิจารณาแรงโน้มถ่วงเพียงอันเดียวโดยไม่คำนึงถึงแรงอื่นๆ เช่น แรงต้านอากาศหรือแรงลอยตัวของวัตถุในอากาศและวัตถุก็จะเคลื่อนที่ด้วย ความเร่งโน้มถ่วงที่มีค่าคงที่ 9.8 เมตรต่อวินาทีกำลังสองในทิศทางลง การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าการตกอย่างอิสระ

ปัจจัยที่ทำให้เกิดการพังทลายของดิน ได้แก่ แผ่นดินไหว มนุษย์ สัตว์ น้ำ ลม และแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงของโลกมีผลทำให้ดินพังทลาย ซึ่งสามารถพบได้จากพื้นที่ที่มีความลาดชันสูง เมื่อมีฝนตกหนักจนดินอิ่มตัว จึงทำให้แรงยึดเกาะของดินน้อยกว่าแรงโน้มถ่วงของโลก ดินที่มีน้ำอิ่มตัวจะเคลื่อนที่จากที่สูงไปต่ำโดยแรงโน้มถ่วง ทำให้เกิดสไลด์หรือดินถล่ม เป็นต้น

บทความที่เกี่ยวข้อง