กฎการเคลื่อนที่นิวตัน
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเป็นกฎพื้นฐานของจลนศาสตร์ ซึ่งกล่าวถึง “แรง” (Force) ซึ่งเป็นสาเหตุของการเคลื่อนที่
กฎของนิวตันมี 3 ข้อ
กฎข้อที่ 1 กฎของความเฉื่อย (Inertia)
กฎข้อที่ 1 (Law of Inertia) กล่าวว่า “หากแรงสุทธิที่กระท าบนวัตถุมีค่าเป็นศูนย์ วัตถุจะคงสภาพ
การเคลื่อนที่ไว้นั่นคือ ถ้าวัตถุอยู่นิ่ง ก็จะอยู่นิ่งอยู่อย่างนั้น ถ้าวัตถุวิ่งอยู่ ก็จะวิ่งด้วยความเร็วนั้นต่อไป” ในกฎ
ข้อนี้กล่าวถึงปริมาณที่ยังไม่ได้นิยามคือ แรง จริง ๆ แล้วแนวคิดเรื่องแรงนี้ไม่ใช่สิ่งที่ชัดเจนนัก เนื่องจากมีความ
เกี่ยวข้องกับปริมาณที่ยังไม่ได้นิยามอีกปริมาณหนึ่งเข้ามาเกี่ยวข้องคือ มวล (mass) อย่างไรก็ตาม ในขั้นนี้
ขอให้นักศึกษายอมรับแนวคิดของแรงไปก่อน
ตัวอย่าง: ขณะที่รถติดสัญญาณไฟแดง ตัวเราหยุดนิ่งอยู่กับที่
• แต่เมื่อสัญญาณไฟแดงเปลี่ยนเป็นไฟเขียว เมื่อคนขับเหยียบคันเร่งให้รถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แต่ตัวของเราจะพยายามคงสภาพหยุดนิ่งไว้ ผลคือ หลังของเราจะถูกผลักติดกับเบาะ ขณะที่รถเกิดความเร่งไปข้างหน้า
• ในทำนองกลับกัน เมื่อสัญญาณไฟเขียวเปลี่ยนเป็นไฟแดง คนขับรถเหยียบเบรคเพื่อจะหยุดรถ ตัวเราซึ่งเคยเคลื่อนที่ด้วยความเร็วพร้อมกับรถ ทันใดเมื่อรถหยุด ตัวเราจะถูกผลักมาข้างหน้า
กฎข้อที่ 2 กฎของแรง (Force)
จากการศึกษาพบว่าวัตถุเมื่อถูกแรงภายนอกที่มีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ และแรงภายนอกนั้นมีค่ามากพอ จะทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่จากเดิม เช่น ถ้าเดิมวัตถุหยุดนิ่งเมื่อถูกแรงภายนอกกระทำจะส่งผลให้วัตถุเคลื่อนที่ หรือเดิมถ้าวัตถุเคลื่อนที่อยู่แล้วเมื่อถูกแรงภายนอกกระทำก็จะส่งผลให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น หรือช้าลง หรือหยุดนิ่งก็ได้ ซึ่งการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่เดิมของวัตถุจะมากหรือน้อยจึงขึ้นกับปริมาณของแรงภายนอกที่มากระทำต่อวัตถุและมวลของวัตถุนิวตันได้ให้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุไว้ว่า “ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุมีค่าไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่” นั่นคือ ความเร็วของวัตถุอาจจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงหรืออาจเปลี่ยนแปลงทิศทางการเคลื่อนที่ เรียกว่า “วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง”
เมื่อแรงลัพธ์ที่กระทำมีค่าไม่เป็นศูนย์จะเกิดการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่จากรูปจะเห็นว่าแรงรวมทางด้านขวามือมีค่ามากกว่าแรงรวมทางด้านซ้ายมือจึงทำให้เกิดการเคลื่อนที่ไปทางขวามือด้วยความเร่งค่าหนึ่ง โดยความเร่งนี้จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุและมวลของวัตถุ
จากความสัมพันธ์ระหว่างแรง มวล และความเร่งข้างต้น สามารถสรุปเป็น “กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตัน” ได้ว่า “เมื่อมีแรงลัพธ์ที่มีขนาดไม่เป็นศูนย์มากระทำกับวัตถุ จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งในทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์ที่มากระทำ และขนาดของความเร่งจะแปรผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ์ และแปรผกผันกับมวลของวัตถุ” โดยมีความสัมพันธ์ตามสมการ
กฎข้อที่ 3 กฎของแรงปฏิกิริยา (Action = Reaction)
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของนิวตัว กล่าวว่า “ถ้าวัตถุชิ้นหนึ่งออกแรงกระท าบนวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง วัตถุชิ้นแรกจะรู้สึกถึงแรงซึ่งกระท ากลับโดยวัตถุชิ้นที่สองต่อตัวเอง โดยแรงนี้จะมีขนาดเท่ากับแรงที่วัตถุชิ้นแรกกระทำบนวัตถุชิ้นที่สอง แต่มีทิศตรงกันข้าม” หรือ ในแบบย่อ ๆ ว่า Action = Reaction ขอให้นักศึกษา
สังเกตว่า แรง action กับ reaction นี้ กระทำบนวัตถุ คนละชิ้นกัน ตัวอย่างที่เราได้เป็นผ่านมาบ้างแล้ว ก็ได้แก่ เมื่อเรายืนบนพื้นราบ น้ำหนักกับแรงตั้งฉากเป็นแรง action กับ reaction ต่อกัน น้ำหนักของเรากระทำต่อพื้น และพื้นก็กระทำต่อเรากลับเรียกว่าแรงตั้งฉาก เป็นต้น
