แรงและการเคลื่อนที่ (Force and Motion)

NGThai
5 years ago

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

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

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

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)

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