แรงและการเคลื่อนที่ เกี่ยวข้องกันอย่างไร และความหมายของแรงคืออะไร

แรงและการเคลื่อนที่ (Force and Motion)

เมื่อวัตถุสองชิ้นมีปฏิกิริยาต่อกันย่อมส่งผลให้เกิด แรงและการเคลื่อนที่

ทฤษฎีของ แรงและการเคลื่อนที่

แรง (Force) คืออำนาจภายนอกที่สามารถกระทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง ทั้งทางลักษณะรูปร่าง ตำแหน่งทิศทาง และการเคลื่อนที่ เป็นปฏิสัมพันธ์ (Interaction) ระหว่างวัตถุต่อวัตถุด้วยกันเอง หรือระหว่างวัตถุต่อสิ่งภายนอก ในทางวิทยาศาสตร์ แรงจึงถูกกำหนดให้เป็นปริมาณเวกเตอร์ (Vector) ที่มีทั้งขนาด (Magnitude) และทิศทาง (Direction) แรงประกอบไปด้วยแรงย่อยและแรงลัพธ์ ถ้ามีแรงมากกว่าหนึ่งแรงกระทำต่อวัตถุ แรงลัพธ์คือผลรวมของแรงย่อยทั้งหมดที่มากระทำต่อวัตถุดังกล่าว โดยมีหน่วยเป็นนิวตัน (Newton)

ปริมาณทางฟิสิกส์จำแนกออกได้ 2 ประเภท คือ

  1. ปริมาณสเกลาร์ (Scalar) คือ ปริมาณที่บ่งบอกเพียงขนาด เช่น มวล อุณหภูมิ เวลา พลังงาน ความหนาแน่น และระยะทาง
  2. ปริมาณเวกเตอร์ (Vector) คือ ปริมาณที่ต้องบ่งบอกทั้งขนาดและทิศทาง เช่น แรง โมเมนต์ การกระจัด และความเร็ว
แรงและการเคลื่อนที่,
การเล่นสกีเป็นการเคลื่อนที่ตามแรงโน้มถ่วงโลก

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
แรงและการเคลื่อนที่, การเคลื่อนที่, แรง, แรงโน้มถ่วง
แรงดึงดูดระหว่างดาวเคราะห์เกิดจากแรงโน้มถ่วงในดาวเคราะห์

แรงก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ (Motion) หรือการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุ โดยมีองค์ประกอบที่สำคัญ ได้แก่

  • ระยะทาง (Distance) คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่จริงตามเส้นทางทั้งหมด เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตร
  • การกระจัด (Displacement) คือระยะทางที่สั้นที่สุดหรือความยาวของเส้นตรงสมมติที่ลากจากจุดเริ่มต้นถึงจุดสิ้นสุด เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร
  • เวลา (Time) คือระยะเวลาที่วัตถุใช้เดินทางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นวินาที
  • อัตราเร็ว (Speed) คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยในการเคลื่อนที่แต่ละช่วงเวลา วัตถุอาจไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่เสมอไป อัตราเร็วเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)
  • ความเร็ว (Velocity) คือการกระจัดของวัตถุในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที
  • อัตราเร่ง (Magnitude of Acceleration) คืออัตราเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2
  • ความเร่ง (Acceleration) คือความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร/วินาที2
แรงและการเคลื่อนที่
เสือชีตาห์ เป็นสัตว์ที่วิ่งเร็วเป็นอันดับต้นๆ ของโลก เนื่องจากมีกล้ามเนื้อ และระบบสรีรวิทยา ที่เอื้อต่อการเป็นผู้ล่า

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

  1. กฎของความเร่ง (Law of Acceleration)

เมื่อมีแรงมากระทำต่อวัตถุ แรงนั้นจะเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุและทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง โดยความเร็วของวัตถุจะแปรผันตามแรงดังกล่าวและผกผันกับมวลของวัตถุ

  1. 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)

สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ


ข้อมูลอ้างอิง

Idaho State Board of Education- https://idahoptv.org/sciencetrek/topics/force_and_motion/facts.cfm

Wired.com – https://www.wired.com/2008/09/basics-what-is-a-force/

National Geographic – https://www.nationalgeographic.com/news/2010/1/100104-isaac-newton-google-doodle-logo-apple/

ทรูปลูกปัญญา – http://www.trueplookpanya.com/learning/detail/31414

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://www.scimath.org/lesson-physics/item/8782-2018-09-20-06-44-23

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี – http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/288/6/newton48.pdf


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : แรงโน้มถ่วงของโลก

เรื่องแนะนำ

เฮอร์ริเคนมีผลต่อการคัดเลือกทางธรรมชาติในกิ้งก่า

เฮอร์ริเคนมีผลต่อการคัดเลือกทางธรรมชาติในกิ้งก่า เหตุใดเจ้ากิ้งก่าเหล่านี้จึงถูกนำมาเกาะอยู่บนเสา แล้วถูกเป่าด้วยลมแรงจากเครื่องเป่าใบไม้? นี่อาจดูเหมือนการรังแกสัตว์ แต่แท้จริงแล้วทีมนักวิทยาศาสตร์กำลังทดลองอะไรบางอย่าง… ก่อนที่เฮอร์ริเคนเออร์มา กับเฮอร์ริเคนมารีอาจะเข้าพัดถล่มหมู่เกาะแคริบเบียนในปี 2017 นักวิทยาศาสตร์เดินทางไปที่หมู่เกาะ Turks และหมู่เกาะ Caicos เพื่อศึกษาเกี่ยวกับกิ้งก่าโดยเฉพาะ พวกเขารวบรวมกิ้งก่าอาโนล์จำนวนหนึ่ง และจับพวกมันเข้าร่วมการทดลอง โดยใช้เครื่องเป่าใบไม้จำลองสถานการณ์ว่ากำลังเกิดเฮอร์ริเคนขึ้น เพื่อสังเกตปฏิกิริยาของกิ้งก่า จากการทดลองทีมนักวิทยาศาสตร์พบว่า กิ้งก่าที่มีอุ้งตีน และขาหน้าที่ยาวกว่า มีโอกาสที่จะรอดชีวิตจากเฮอร์ริเคนได้มากกว่า เนื่องจากพวกมันมีความสามารถในการเกาะเกี่ยวเสาได้ดีกว่ากิ้งก่าทั่วไป สิ่งที่เกิดขึ้นนี้บ่งชี้ว่าภัยพิบัติทางธรรมชาติกลายมาเป็นปัจจัยสำคัญที่กดดันให้เกิด “การคัดเลือกทางธรรมชาติ” ของกิ้งก่าเหล่านี้เข้า (กิ้งก่าที่มีอุ้งตีนเล็ก ขาหน้าสั้นไม่สามารถรอดชีวิตจากพายุได้จึงล้มตายไปในที่สุด) ทั้งนี้ในการศึกษาครั้งต่อๆ ไป ทีมนักวิทยาศาสตร์ตั้งใจหาคำตอบเพิ่มเติมว่าภัยพิบัติอื่นๆ เช่น น้ำท่วม ดินถล่ม จะมีผลต่อวิวัฒนาการของสัตว์อย่างไรบ้าง   อ่านเพิ่มเติม ฟอสซิลรอยเท้าเก่าแก่ที่สุดของการวิ่งสองขาในกิ้งก่า

โคอาลากินใบยูคาลิปตัสได้อย่างไร? โดยไม่ได้รับสารพิษ

ทีมนักวิจัยชั้นนำจากทั่วโลกร่วมกันวิเคราะห์ลำดับจีโนมของโคอาลา เพื่อช่วยแก้ไขปัญหาสุขภาพ และอนุรักษ์ประชากรของพวกมันไว้

โดรนช่วยชีวิตนักโต้คลื่น

โดรนช่วยชีวิตนักโต้คลื่น ที่นอกชายหาดของเมือง Lennox Head ทางตอนเหนือของรัฐนิวเซาท์เวลส์ วัยรุ่นนักโต้คลื่นสองคนกำลังติดอยู่ในคลื่น  โชคดีที่ใครบางคนเห็นเหตุการณ์เข้าและแจ้งเจ้าหน้าที่ชายฝั่ง พวกเขาใช้เทคโนโลยีใหม่ที่ได้รับการฝึกฝนมานั่นคือโดรน โดรนช่วยชีวิตที่มีชื่อเรียกว่า Westpac Little Ripper Lifesaver ถูกส่งออกไปก่อนล่วงหน้า เมื่อไปถึงจุดเกิดเหตุมันปล่อยชูชีพลงไปให้ผู้ประสบภัยด้านล่างเกาะไว้ท่ามกลางคลื่นที่กำลังซัดสาด สุดท้ายเรื่องราวจบลงด้วยดี วัยรุ่นทั้งสองกลับเข้าสู่ฝั่งอย่างปลอดภัย กระบวนการช่วยชีวิตตามชายฝั่งนี้ใช้เวลาเพียงแค่ 1 – 2 นาที ซึ่งรวดเร็วกว่าการช่วยชีวิตในรูปแบบเดิม   อ่านเพิ่มเติม 5 ตัวอย่างที่โดรนใต้น้ำกำลังช่วยปกป้องมหาสมุทรให้เรา