แรงมวลและกฏการเคลื่อนที่

         ในบรรดานักวิทยาศาสตร์ทั้งหมดที่กล่าวมาแล้วและจะกล่าวต่อไป นิวตันเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการยกย่องว่าเป็นอัจฉริยะคนหนึ่งเลยทีเดียว แม้แต่นักวิทยาศาสตร์ผู้มีความสามารถอย่างไอน์สไตน์ก็ได้รับการยกย่องให้ฉลาดเท่ากับนิวตัน นั่นคือการแสดงให้เห็นว่าเขาคืออัจฉริยะคนหนึ่งของโลก

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

นักประดิษฐ์ผู้หนึ่งได้ประยุกต์กฎข้อที่สามของนิวตันสำหรับรถพ่วงดังรูป 2-39 ระหว่างรถลากกับรถพ่วง จะมีกลไกเบรกติดไว้อยู่ตรงกลาง กลไกเบรกนี้ไม่ได้อาศัยกลไกทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่ใช้หลักของกฎข้อที่สามดังนี้ เมื่อคนขับเหยียบเบรก จะทำให้รถลากช้าลงหรือหยุดลง แต่เพราะว่ารถพ่วงมีความเฉื่อยทำให้มันยังไม่หยุดในทันที และเคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้า ไปกดกลไกของเบรกที่อยู่ตรงกลางทำให้รถพ่วงหยุดตามรถลากได้

แรง   คืออะไร        

               ในทางวิทยาศาสตร์ คำว่าแรงมีความหมายที่ง่ายและเฉพาะเจาะจง แรง ( Force ) คือ
การผลักหรือการดึง   เมื่อวัตถุชิ้นหนึ่งผลักหรือดึงวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง นักเรียนอาจกล่าวได้ว่าวัตถุชิ้นแรกออกแรงกระทำต่อวัตถุชิ้นที่สอง นักเรียนออกแรงกระทำต่อปากกาในขณะที่นักเรียนเขียนหนังสือ นักเรียนออกแรงกระทำต่อหนังสือในขณะยกหนังสือนักเรียนออกแรงกระทำต่อซิปกางเกงในขณะรูดซิป นักเรียนออกแรงกระทำต่อลูกบอลในขณะที่ขว้างลูกบอลนักเรียนออกแรงกระทำต่อรถในขณะที่นักเรียนเข็นรถ และออกแรงกระทำกับตะปูในขณะที่ใช้ค้อนตอกตะปู
ลงไปบนแผ่นไม้  

   ในทำนองเดียวกับความเร็วและความเร่ง นอกจากนักเรียนจะต้องบอกว่า แรงที่กระทำนั้นมีค่ามากเท่าไรแล้ว นักเรียนยังต้องบอกทิศที่แรงกระทำด้วย เช่น  ถ้านักเรียนผลักประตู นั่นคือ   นักเรียนกำลังออกแรงใน ทิศตรงข้ามกับในขณะที่นักเรียนดึงมัน

แรงที่ไม่สมดุล

     สมมติว่านักเรียนต้องการผลักกล่องที่หนักใบหนึ่งไปตามพื้น ในขณะที่นักเรียนผลักกล่อง นั่นคือ            นักเรียนได้ออกแรงกระทำต่อกล่อง    ถ้ามีเพื่อนมาช่วยนักเรียนผลัก    แรงทั้งหมดที่กระทำต่อกล่องก็คือ    ผลรวมของแรงที่นักเรียนและเพื่อนช่วยกันผลัก     ถ้าแรงสองแรงกระทำต่อวัตถุในทิศทางเดียวกัน    แรงทั้งสองจะรวมเข้าด้วยกัน

แรง คือสิ่งที่กระทำต่อวัตถุในรูปของการพยายามดึงหรือดันให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่โดยที่วัตถุอาจเคลื่อนที่หรือไม่ก็ได้

เพราะมีแรงอื่นกระทำต่อวัตถุอยู่ด้วย แรงถือเป็นปริมาณเวคเตอร์ที่ต้องกำหนดด้วยขนาดและทิศทาง

1. แรง (Force)

จากการศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวตรง พบว่า วัตถุอาจมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว หรือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วซึ่งอะไรคือสาเหตุที่ทำให้วัตถุมีการเคลื่อนที่เป็นแบบดังกล่าว โดยปริมาณที่เกี่ยวข้องกับลักษณะการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวตรง ได้แก่ ระยะทาง, การกระจัด, อัตราเร็ว, ความเร็ว, ความเร่ง และช่วงเวลา หากเดิมมีวัตถุหยุดนิ่งอยู่กับที่แล้วต้องการให้วัตถุเคลื่อนที่ หรือถ้ากำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแล้วต้องการให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็ว พบว่า จะต้องมีแรงมากระทำกับวัตถุ แสดงว่า แรงที่กระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุมีความเร็วเปลี่ยนไป ซึ่งอาจเปลี่ยนเฉพาะขนาด หรือทิศทาง หรืออาจเปลี่ยนทั้งขนาดและทิศทางก็เป็นได้

ดังนั้น แรง คือ ความพยายามที่จะทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง โดยการเปลี่ยนแปลงของวัตถุ มีในลักษณะต่างกัน เช่น รูปร่าง ตำแหน่ง หรือการหมุน ซึ่งเกิดจากการกระทำของแรงในลักษณะต่าง ๆ  และอาจจะมีแรงมากกว่า 1 แรงที่มากระทำต่อวัตถุนั้น

เนื่องจากแรงเป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง จึงจัดได้ว่าแรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยคือ นิวตัน (N) และ 

1.1 องค์ประกอบของแรง

กฏการเคลื่อนที่ของนิวตัน

กฏข้อที่ 1 ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุเป็นศูนย์วัตถุจะรักษาสภาพการเคลื่อนที่เดิมถ้าเดิมวัตถุหยุดนิ่งก็จะ

หยุดนิ่งอยู่อย่างนั้น หรือถ้าเดิมเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วคงที่ในแนวเส้นตรง จะได้สมการ

ซึ่งใช้กับการคำนวณสมดุลกล

กฏข้อที่ 2 ถ้ามีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำกับวัตถุ วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งในทิศเดียวกับแรงลัพธ์

โดยความเร่งจะมีขนาดแปรผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ์ และแปรผกผันกับมวลของวัตถุ จะได้สมการ

กฏข้อที่ 3 ทุก ๆ แรงกิริยา (Action Force) จะมีแรงปฏิกิริยา (Reaction Force) ที่มีขนาดเท่ากัน

และมีทิศทางตรงกันข้ามกันเสมอจะได้สมการ

น้ำหนัก คือ แรงดึงดูดของโลกซึ่งกระทำต่อวัตถุอยู่ตลอดเวลา คำนวณได้จาก

โดยที่     W  =  น้ำหนักของวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)

             m  =  มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)

g   =  ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที

ค่า g ในบริเวณต่างๆ ทั่วโลกมีค่าไม่เท่ากัน โดยทั่วไปมักให้ใช้ค่า  g = 10