สรุปเรื่องแรงและการเคลื่อนที่ (Force and Motion) -ฟิสิกส์คลังความรู้ ม.ปลาย

แรง (force) เป็นสิ่งที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่าง เปลี่ยนทิศทาง เกิดการเคลื่อนที่หรือหรือหยุดนิ่งได้ แรงสามารถเปลี่ยนความเร็วของวัตถุได้ หรือกล่าวได้ว่าแรงทำให้วัตถุเกิดความเร่ง

ถ้ามีแรงขนาดเท่ากันกระทำต่อวัตถุในทิศทางตรงกันข้าม อาจจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาดของวัตถุ แต่ไม่มีการเคลื่อนที่ของวัตถุ

ลักษณะของแรง แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีทั้งขนาดและทิศทาง มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) ใช้สัญลักษณ์ F เขียนแทนแรง การเขียนสัญลักษณ์ของแรงที่บอกทิศทางของแรงด้วยนั้น จะใช้ความยาวของเส้นตรงแทนขนาด และใช้หัวลูกศรแทนทิศทางของแรง เรียกว่า เวกเตอร์ของแรง

ปริมาณทางฟิสิกส์ มี 2 ชนิด คือ
1. ปริมาณเวกเตอร์ (vector quality) หมายถึง ปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เช่น แรง ความเร็ว ความเร่ง โมเมนต์ โมเมนตัม น้ำหนัก เป็นต้น
2. ปริมาณสเกลาร์ (scalar quality) หมายถึง ปริมาณที่มีแต่ขนาดอย่างเดียว ไม่มีทิศทาง เช่น เวลา พลังงาน ความยาว  อุณหภูมิ เวลา พื้นที่ ปริมาตร อัตราเร็ว เป็นต้น
การเขียนเวกเตอร์ของแรง
การเขียนใช้ความยาวของส่วนเส้นตรงแทนขนาดของแรง และหัวลูกศรแสดงทิศทางของแรง

การออกแรงทำกิจกรรมต่างๆ นั้น  เราจะสังเกตพบว่า การหิ้วกระเป๋าจะออกแรงน้อยกว่าการผลักรถยนต์ให้เคลื่อนที่หรือการถือสมุด 1 เล่ม จะออกแรงน้อยกว่าการยกกองสมุด 20 เล่ม   การใช้ความรู้สึกบอกขนาดของแรง เป็นการคาดคะเนความรู้สึกของแต่ละบุคคล ซึ่งไม่เป็นมาตรฐานเดียวกัน วิธีการง่ายๆ ในการวัดขนาดของแรงที่กระทำต่อวัตถุก็ คือ การใช้เครื่องชั่งสปริงเกี่ยววัตถุไว้แล้วออกแรงดึงเครื่องชั่งสปริงเข็มชี้บนสเกลของเครื่องชั่งจะบอกขนาดของแรง  สำหรับหน่วยของแรงตามระบบเอสไอ (SI) คือ นิวตัน (N)

แรง  1  นิวตัน (N)                    คือ    แรงที่ทำให้มวล 1  กิโลกรัม  เคลื่อนที่ ด้วยความเร่ง 1 เมตร/วินาที2 ดังนั้น  1  นิวตัน   =  1  กิโลกรัม- เมตร/วินาที2  หรือ  1  N  =  1  kg m/s2

นอกจากแรงจะมีขนาดแล้วยังมีทิศทางอีกด้วย เมื่อเราออกแรงยกวัตถุต่างๆ ขึ้นมา เช่น  การยกสิ่งของเป็นการออกแรงในแนวดิ่งสิ่งของต่างๆ จะเคลื่อนที่ขึ้นมาตามแนวดิ่งตามแนวแรงเช่นกันเมื่อออกแรงในแนวระดับเพื่อผลักรถซึ่งเดิมจอดอยู่นิ่งให้เคลื่อนที่รถจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับทิศของแรงที่กระทำต่อรถ การออกแรงแต่ละครั้งจะต้องมีทิศทางไปทางใดทางหนึ่งเสมอ ดังนั้นแรงจึงเป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เรียกว่า ปริมาณเวกเตอร์

แรงพื้นฐานทั้ง 4 แรงในธรรมชาติ

แรงทั้งหมดในจักรวาลล้วนแล้วแต่ตั้งอยู่บนพื้นฐานของการปฏิสัมพันธ์หรือแรงพื้นฐานทั้ง 4 ในธรรมชาติ ได้แก่

1. แรงนิวเคลียร์เข้ม (Strong Nuclear Force) คือแรงยึดเหนี่ยวอนุภาคมูลฐานและเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของสสารหรือ “ควาร์ก” (Quark) ภายในโปรตอนและนิวตรอน เป็นแรงที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคต่างๆภายในนิวเคลียสของอะตอม
2. แรงนิวเคลียร์อ่อน (Weak Nuclear Force) คือแรงที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการสลายตัวของอนุภาคหรือ “การแผ่กัมมันตภาพรังสี”
3. แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Force) คือแรงที่ก่อให้เกิดการกระทำระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า
4. แรงโน้มถ่วง (Gravitational Force) คือแรงดึงดูดระหว่างวัตถุหรือสสารที่มีมวล

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s Law of Motion)

ในปี 1687 หลังการให้นิยามต่อแรงโน้มถ่วงและบัญญัติกฎความโน้มถ่วงสากล เซอร์ ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้โด่งดัง ได้ทำการค้นคว้าและบัญญัติ “กฎการเคลื่อนที่” (Three Laws of Motion) ที่สำคัญยิ่งให้กับวงการกลศาสตร์ ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับแรงและการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ โดยกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันประกอบไปด้วย

1. กฎของความเฉื่อย (Law of Inertia)

เมื่อไม่มีแรงจากภายนอกมากระทำ วัตถุดังกล่าวจะคงสภาวะเดิมของการเคลื่อนที่ เช่น สภาพอยู่นิ่งกับที่หรือเคลื่อนที่ต่อไปอย่างสม่ำเสมอ

2. กฎของความเร่ง (Law of Acceleration)

เมื่อมีแรงมากระทำต่อวัตถุ แรงนั้นจะเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุและทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง โดยความเร็วของวัตถุจะแปรผันตามแรงดังกล่าวและผกผันกับมวลของวัตถุ

3. กฎของแรงปฏิกิริยา (Law of Action and Reaction)

เมื่อมีแรงมากระทำต่อวัตถุ วัตถุนั้นจะออกแรงโต้ตอบในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่มากระทำ แรงทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันและเกิดขึ้นพร้อมกันเสมอ

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันทั้ง 3 ข้อเป็นกฎกายภาพที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของสสารและการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เป็นจริงอยู่เสมอ เป็นกฎของธรรมชาติที่มนุษย์เราไม่สามารถควบคุม ดัดแปลง หรือแก้ไขกฎแห่งความจริงเหล่านี้ได้

 ปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อแรงและการเคลื่อนที่

• มวล (Mass) เป็นสมบัติของวัตถุที่ก่อให้เกิดการต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพและการเคลื่อนที่ของวัตถุ จากการกระทำของแรง หรือที่เรียกว่า “ความเฉื่อย” (Inertia) วัตถุทุกชนิดมีความเฉื่อย โดยวัตถุที่มีมวลมากจะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ได้ยาก ดังนั้น วัตถุดังกล่าวจึงมีความเฉื่อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับวัตถุที่มีมวลน้อยกว่า มวลเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (Kilogram)
• น้ำหนัก (Weight) คือแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุที่มีมวลซึ่งส่งผลให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว น้ำหนักเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นนิวตัน (Newton)

ที่มา :

: http://vichakarn.triamudom.ac.th/comtech/studentproject/final54/824/Infinite%20Stratos/PHY/Newton.html

: http://svcbc.blogspot.com/2012/08/blog-post_1410.html