กฎการเคลื่อนที่ ของนิวตัน มวล และน้ำหนัก ฟิสิกส์ ม.ปลาย

มวล (Mass)

จากความรู้เรื่องแรง พบว่าแรงสามารถทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ได้ แต่ในการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ นอกจากจะขึ้นอยู่กับแรงแล้วยังพบว่ามีปริมาณอื่นที่มีความเกี่ยวข้องด้วย ดังตัวอย่างเหตุการณ์ต่อไปนี้ ถ้านำขวดพลาสติกขนาดเท่ากับ 3 ใบ แล้วใช้กระดาษหุ้มให้มิดชิด ใบแรกภายในวางเปล่า ใบที่สองเติมน้ำลงไปครึ่งขวด และใบที่สามเติมน้ำจนเต็มขวด แล้วแขวนไว้ในแนวดิ่งและลองขยับขวดไปมาในแนวระดับ

เมื่อขยับขวดขวดแต่ละใบในมือ โดยใช้แรงที่เท่ากัน การต้านมือของวัตถุเป็นความรู้สึกว่า เมื่อออกแรงผลักวัตถุ แล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่หรือเมื่อให้ขวดทั้งสามใบแกว่งแล้วใช้มือต้านให้วัตถุหยุด ความยากง่ายหรือแรงที่ใช้ต้านทานการเคลื่อนที่ย่อมแตกต่างกัน โดยขวดที่บรรจุน้ำเต็มขวดจะรู้สึกว่าต้านทานการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่มากที่สุด และสำหรับขวดเปล่าจะรู้สึกว่าต้านทานการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่น้อยที่สุด จะเรียก สมบัติของวัตถุที่ต้านต่อการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้นว่า   “ความเฉื่อย (Inertia)” และเรียกปริมาณที่บอกให้ทราบว่า วัตถุใดมีความเฉื่อยมากหรือน้อยว่า มวล

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

นิวตัน ได้สรุปเกี่ยวกับการรักษาสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ มีใจความว่า “วัตถุจะรักษาสภาพอยู่นิ่งหรือสภาพการเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอเป็นแนวตรง นอกจากจะมีแรงลัพธ์ที่ซึ่งมีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ” สามารถกล่าวได้ว่า  ผลรวมของแรงที่กระทำต่อวัตถุทั้งหมดมีค่าเป็นศูนย์

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน มีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “กฎความเฉื่อย (Inertia Law)”

2.3.2   กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน

จากการศึกษาสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ และกฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตันทำให้ทราบว่าถ้าไม่มีแรงมากระทำหรือมีแรงหลายแรงมากระทำ แต่แรงลัพธ์ของแรงเหล่านั้นเป็นศูนย์แล้ววัตถุจะไม่มีการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ แต่ถ้าแรงที่มีกระทำแล้วแรงลัพธ์ไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ คือ ความเร็วของวัตถุอาจเพิ่มขึ้นหรือลดลง หรืออาจเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ ซึ่งเรียกว่า วัตถุมีความเร่ง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดและทิศทางของแรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุ

เมื่อ  เป็นค่าคงที่ของการแปรผัน และจากนิยาม แรง 1 นิวตัน เป็นแรงที่ทำให้วัตถุมวล      1 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง 1 เมตรต่อวินาที² จะทำให้ได้         k = 1 Ns² / kgm 

ดังนั้น จะได้

นิวตัน ได้สรุปเกี่ยวกับแรงและการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุว่า “เมื่อมีแรงลัพธ์ที่มีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุเกิดความเร่งในทิศเดียวกับแรงลัพธ์ที่มากระทำ โดยขนาดของความเร่งนี้จะแปรผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ์ แต่จะแปรผกผันกับมวลของวัตถุ” สรุปได้ว่า ผลรวมของแรงที่กระทำต่อวัตถุทั้งหมดมีค่าไม่เป็นศูนย์

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน

จากการศึกษากฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งและสองของนิวตัน เป็นการอธิบายสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุ ตากการศึกษาพบว่า เมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุ วัตถุ      จะออกแรงตอบโต้ที่มากระทำนั้น เช่น เมื่อออกแรงดันกำแพง จะรู้สึกได้ว่ากำลังก็ออกแรงดันมือเช่นเดียวกัน และยิ่งออกแรงดันกำแพงมากขึ้นเท่าไร กำลังก็จะออกแรงดันมือมากขึ้นเท่านั้น

จากตัวอย่าง พบว่า เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุหนึ่ง วัตถุนั้นจะออกแรงโต้ตอบในทิศตรงข้ามกับแรงที่มากระทำ แรงทั้งสองจะเกิดขึ้นพร้อมกันเสมอ เรียกแรงที่มากระทำต่อวัตถุว่า แรงกิริยา (action force) และเรียกแรงที่วัตถุโต้ตอบต่อแรงที่มากระทำว่า แรงปฏิกิริยา (reaction force) ซึ่งจะเรียกแรงทั้งสองว่า แรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา (action – reaction pairs) สามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ว่า

นิวตัน ได้สรุปความสัมพันธ์ระหว่างแรงกิริยากับแรงปฏิกิริยาว่า “ทุกแรงกิริยาย่อมมีแรงปฏิกิริยาขนาดเท่ากันกระทำในทิศตรงกันข้ามเสมอ หรือแรงกระทำซึ่งกันและกันของวัตถุสองก้อนย่อมมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงกันข้าม”  สรุปได้ว่า จะมีแรงเกิดขึ้นตรงตำแหน่งที่กระทำสองแรงขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้าม