กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
มวล และน้ำหนัก
2.1 มวล (Mass)
จากความรู้เรื่องแรง พบว่าแรงสามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ได้ แต่ในการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ นอกจากจะขึ้นอยู่กับแรงแล้วยังพบว่ามีปริมาณอื่นที่มีความเกี่ยวข้องด้วย ดังตัวอย่างเหตุการณ์ต่อไปนี้ ถ้านำขวดพลาสติกขนาดเท่ากับ 3 ใบ แล้วใช้กระดาษหุ้มให้มิดชิด ใบแรกภายในวางเปล่า ใบที่สองเติมน้ำลงไปครึ่งขวด และใบที่สามเติมน้ำจนเต็มขวด แล้วแขวนไว้ในแนวดิ่งและลองขยับขวดไปมาในแนวระดับ ดังภาพที่ 12
อาจสรุปได้ว่า มวล คือ ปริมาณที่บอกให้ทราบถึงการต้านการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ ซึ่งเป็นปริมาณสเกลาร์ ใช้สัญลักษณ์ คือ “ m ”มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg )
2.2 น้ำหนัก (Weight)
จากการศึกษาการตกอย่างเสรีของวัตถุใกล้ผิวโลก พบว่า เมื่อมีแรงมากระทำกับวัตถุ จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว ซึ่งแรงที่มากระทำกับวัตถุนั้นคือ แรงดึงดูดของโลก ที่กระทำต่อวัตถุ อาจเรียกแรงนี้ว่า น้ำหนักของวัตถุ โดยที่ 
2.3.1 กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน
จากการศึกษาเกี่ยวกับแรงและสภาพการเคลื่อนที่ พบว่า ถ้าวัตถุวางนิ่งอยู่บนพื้นราบแล้วไม่มีแรงอื่นใดมากระทำต่อวัตถุ วัตถุจะคงอยู่นิ่งต่อไปหรือถ้าให้แรง 2 สองแรงที่มีขนาดเท่ากันมากระทำกับวัตถุในทิศตรงข้ามกัน พบว่า วัตถุยังคงหยุดนิ่งเช่นเดิม
หรือถ้าพิจารณา วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่บนพื้นระดับราบรื่น ซึ่งไม่มีแรงภายนอกใดมากระทำต่อวัตถุ วัตถุก็จะรักษาสภาพการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวค่าหนึ่ง หรือถ้าให้แรง 2 สองแรงที่มีขนาดเท่ากันมากระทำกับวัตถุในทิศตรงข้ามกัน พบว่า วัตถุยังคงรักษาสภาพการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวต่อไป
พิจารณาวัตถุ 2 ชนิด ซึ่งมีขนาดเท่ากันทุกประการ เช่น วัตถุอันแรกท าจากเหล็กส่วนอีก อันหนึ่งทำจากไม้ เมื่อออกแรงผลักหรือยกวัตถุทั้งสองจะรู้สึกว่าวัตถุที่ท าจากเหล็กต้องใช้แรงมากกว่า
แสดงว่าในขณะที่เราออกแรงกระท าวัตถุจะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงเรียกว่า “สภาพการต้านทานหรือ ต่อต้านการเปลี่ยนสภาวะการเคลื่อนที่” ของวัตถุ หรือเรียกว่า “ความเฉื่อย” (Inertia) ของวัตถุ
ถ้าออกแรงกระท าต่อวัตถุทั้งสองด้วยแรงขนาดเท่ากันพบว่าวัตถุที่มีมวลมากจะมีความเร่งน้อย ดังนั้น มวลของวัตถุสามารถใช้บอกปริมาณของความเฉื่อยได้
เมื่อวัตถุชนกันจะท าให้ความเร็วของมันมีการเปลี่ยนแปลง ในปี ค.ศ. 1668 จอห์น วิลลิส (John Willis) คริสโตเฟอร์ เวรน (Christopher Wren) และ คริสเตียน ฮอยเกนส์ (Christian Huygens) ได้ศึกษาความสัมพันธ์ดังกล่าวเพื่อเสนอต่อราชสมาคมแห่งลอนดอน (Royal society of London) จากผลงานการศึกษาของทั้งสาม นิวตันสรุปไว้ว่า “เมื่อวัตถุอิสระสองก้อนชนกัน อัตราส่วน ของการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุทั้งสองก่อนและหลังชนในแนวเส้นผ่านจุดศูนย์กลางจะมีค่าคงที่” สามารถเขียนสมการได้
|
กฎข้อที่ 1 กฎของความเฉื่อย (Inertia) |
นิวตันอธิบายว่า ในอวกาศไม่มีอากาศ ดาวเคราะห์จึงเคลื่อนที่โดยปราศจากความฝืด โดยมีความเร็วคงที่ และมีทิศทางเป็นเส้นตรง เขาให้ความคิดเห็นว่า การที่ดาวเคราะห์โคจรเป็นรูปวงรีนั้น เป็นเพราะมีแรงภายนอกมากระทำ (แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์) นิวตันตั้งข้อสังเกตว่า แรงโน้มถ่วงที่ทำให้แอปเปิลตกสู่พื้นดินนั้น เป็นแรงเดียวกันกับ แรงที่ตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก หากปราศจากซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกแล้ว ดวงจันทร์ก็คงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงผ่านโลกไป
|
กฎข้อที่ 2 กฎของแรง (Force) |
• ถ้าเราผลักวัตถุให้แรงขึ้น ความเร่งของวัตถุก็จะมากขึ้นตามไปด้วย
• ถ้าเราออกแรงเท่า ๆ กัน ผลักวัตถุสองชนิดซึ่งมีมวลไม่เท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งน้อยกว่าวัตถุที่มีมวลน้อย
ความเร่งของวัตถุ = แรงที่กระทำต่อวัตถุ / มวลของวัตถุ (หรือ a = F/m)
|
ฎข้อที่ 3 กฎของแรงปฏิกิริยา |
นิวตันอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ตามกฎของเคปเลอร์
การค้นพบกฎทั้งสามข้อนี้ นำไปสู่การค้นพบ “กฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพ” (The Law of Universal) “วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุยกกำลังสอง” ซึ่งเขียนเป็นสูตรได้ว่า
| F = G (m1m2/r2) โดยที่ F = แรงดึงดูดระหว่างวัตถุ
m1 = มวลของวัตถุชิ้นที่ 1 |
