กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 1 , 2 และ3
แรง (Force)
จากการศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวตรง พบว่า วัตถุอาจมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว หรือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ซึ่งอะไรคือสาเหตุที่ทำให้วัตถุมีการเคลื่อนที่เป็นแบบดังกล่าว โดยปริมาณที่เกี่ยวข้องกับลักษณะการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวตรง ได้แก่ ระยะทาง, การกระจัด, อัตราเร็ว, ความเร็ว, ความเร่ง และช่วงเวลา หากเดิมมีวัตถุหยุดนิ่งอยู่กับที่แล้วต้องการให้วัตถุเคลื่อนที่ หรือถ้ากำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแล้วต้องการให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็ว พบว่า จะต้องมีแรงมากระทำกับวัตถุ แสดงว่า แรงที่กระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุมีความเร็วเปลี่ยนไป
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 1 , 2 และ3 “กฎของนิวตัน” กัน แล้วเคยสงสัยไหมว่า กฎของนิวตัน เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันเราอย่างไร? วันนี้มีตัวอย่างกฎของนิวตัน ที่เราพบในชีวิตประจำวันมาให้ดูครับ
กฎข้อที่ 1 ∑F = 0 หรือกฎของความเฉื่อย
“วัตถุจะรักษาสภาพหยุดนิ่ง หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดิมก็ต่อเมื่อ แรงลัพธ์ที่มากระทำ ต่อวัตถุมีค่าเท่ากับศูนย์”
จากกฎข้อนี้สามารถแบ่งได้เป็น 2 กรณี คือ วัตถุที่อยู่นิ่ง และวัตถุที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดิม
วัตถุอยู่นิ่ง ความเร็ว (v) เท่ากับ 0 m/s ความเร่ง (a) เท่ากับ 0 m/s2
วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ความเร็ว (v) ไม่เท่ากับ 0 m/s ความเร่ง (a) เท่ากับ 0 m/s2
เช่น วัตถุอยู่นิ่งกับที่เมื่อไม่มีแรงมากระทำ หรือวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 3 เมตรต่อวินาทีไปทางทิศเหนือ และจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 3 เมตรต่อวินาทีไปทางทิศเหนือเช่นนี้เรื่อยๆ เมื่อไม่มีแรงใดๆ มากระทำ หรือแรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุมีค่าเป็น 0
สมการกฎข้อที่ 1
∑F = 0
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน กล่าวไว้ว่า “เมื่อไม่มีแรงกระท าต่อวัตถุหรือแรงลัพธ์ เท่ากับศูนย์ วัตถุจะรักษาสภาพเฉื่อย” ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่า เมื่อไม่มีแรงลัพธ์หรือผลรวมของ
แรงที่มีค่าเท่ากับศูนย์มากระท ากับวัตถุแล้วจะท าให้เกิดปรากฏการณ์ที่แบ่งไดเ้ป็นสองกรณีดังนี้
1. ถ้าในขณะน้นัวตัถุหยดุ นิ่งก็จะหยดุ นิ่งต่อไปโดยไม่มีการเคลื่อนที่
2. ถ้าในขณะน้ันวัตถุก าลังเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิม หรือ
ความเร่งเท่ากบัศูนยน์ นั่ เอง
จากค ากล่าวขา้งตน้ น้นั เราสามารถที่จะเขียนสมการการเคลื่อนที่ ตามกฎการเคลื่อนที่ขอ้ ที่หน่ึงของ
นิวตันได้คือ ΣF = 0
กฎข้อที่ 2∑F = ma หรือกฎของความเร่ง
“เมื่อมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำกับวัตถุ วัตถุจะมีความเร่งในทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์นั้น”
จากกฎข้อนี้กล่าวได้ว่า เมื่อแรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุมีค่าเพิ่มขึ้น ความเร่งก็จะเพิ่มขึ้นด้วย แต่เมื่อมวลของวัตถุเพิ่มขึ้น ความเร่งของวัตถุจะลดลง
สมการกฎข้อที่ 2
∑F = ma
เมื่อ ∑F คือ ผลรวมของแรงหรือแรงลัพธ์
m คือ มวลของวัตถุ
a คือ ความเร่งของวัตถุ
*F หรือแรง มีหน่วยเป็น นิวตัน
โดย 1 นิวตัน เท่ากับ 1 kg • m/s2
หรือหมายความว่า แรง 1 นิวตัน คือ แรงที่ทำให้วัตถุ 1 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง 1 m/s2
F ∝ m ซึ่งเราจะสามารถเขียนเป็นสมการได้ว่า F = (ค่าคงที่) m
หากเรากำหนดให้ ค่าคงที่ของสมการ คือ a และแรงที่กระทำกับวัตถุคือ แรงลัพธ์ เราจะได้ว่า ΣF = ma
กฎข้อที่ 3 (แรงกิริยา = แรงปฏิกิริยา)
“แรงกิริยา-แรงปฏิกิริยาเป็นแรงที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม และกระทำกับวัตถุคนละชนิด”
F12 = – F21
เมื่อ F12 คือ แรงกิริยาที่วัตถุชิ้นที่ 1 กระทำต่อวัตถุชิ้นที่ 2
F21 คือ แรงปฏิกิริยาที่วัตถุชิ้นที่ 2 กระทำต่อวัตถุชิ้นที่ 1
ตัวอย่างเช่น ขณะที่คนกำลังพายเรือ จะดันไม้พายไปข้างหลัง และเกิดความเร่งขึ้น มีแรงที่ไม้พายกระทำต่อน้ำ เป็นแรงกิริยา และน้ำจะดันไม้พายไปข้างหน้า ซึ่งเป็นแรงปฏิกิริยา
ตัวอย่างแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา
สภาพการณ์ แรงกิริยา แรงปฏิกิริยา
การตีเทนนิส แรงที่ไม้กระท ากับลูกเทนนิส แรงที่ลูกเทนนิสกระท ากับไม้
ดาวเทียมโคจรรอบโลก แรงที่ดาวเทียมดึงดูดโลก แรงที่โลกดึงดูดดาวเทียม
แม่เหล็กดูดตะปู แรงที่แม่เหล็กระท ากับตะปู แรงที่ตะปูกระท ากับแม่เหล็ก
เราผลกัเกา้อ้ี แรงที่เรากระท ากับเกา้อ้ี แรงที่เกา้อ้ีกระท ากับเรา
น้ำหนัก (Weight)
น้ำหนัก (W) คือ แรงที่โลกดึงดูดวัตถุ ซึ่งมีทิศทางเดียวกับความเร่ง g (มีทิศทางพุ่งเข้าหาจุดศูนย์กลางของโลก) น้ำหนักจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์ น้ำหนักมีหน่วยเป็น นิวตัน (N)
