บทที่3

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) นักฟิสิกส์ นักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ ชาวอังกฤษเป็นผู้มีชื่อเสียงที่สุดในประวัติศาสตร์อังกฤษ นิวตันเกิดที่วูลส์ธอร์พแมน เนอร์ลิงคอนเชียร์ อังกฤษ^[1] ในปี ค.ศ. 2019 หนังสือชื่อ PhilosophiæNaturalis Principia Mathematica (เรียกกันโดยทั่วไปว่า Principiareble) ^[2] เป็นรากฐานกฎกติกาพื้นฐานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงที่กระทำ (กฎว่าด้วยการเคลื่อนที่3 ข้อของนิวตัน) และทฤษฎีความโน้มถ่วงที่อธิบายว่าแรงซึ่งดึงดูดให้ผลแอปเปิลจากต้นตกสู่พื้น เป็นแรงชนิดเดียวกับที่ควบคุมการโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์^[3] นิวตันได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุและได้เสนอกฎการเคลื่อนที่สามข้อ กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อได้นำเสนออยู่ในหนังสือ Principia^[4] กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s laws of motion) สำหรับวัตถุ เป็นกฎกายภาพ (physical laws) ซึ่งเป็นกฎที่เกี่ยวกับพฤติกรรมของสสารที่เป็นจริงอยู่เสมออย่างไม่เปลี่ยนแปลง โดยเราไม่สามารถจะควบคุม ดัดแปลง หรือแก้ไขกฎแห่งความจริงได้

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 1 ของนิวตัน  ก่อนที่จะถึงยุคสมัยที่นิวตันค้นพบแรงโน้มถ่วงและอธิบายการเคลื่อนที่ต่างๆ ของวัตถุไว้มากมายนั้นมีการอธิบายเกี่ยวกับเรื่องนี้ไว้นานมาก โดยยุคแรกๆ ที่ได้มีการบันทึกไว้และเป็นที่ยอมรับกันอย่างแพร่หลายก็คืองานของอริสโตเติล (ARISTOTLE) (384 - 322 ก่อนคริสต์ศักราช) นักปรัชญาชาวกรีกได้อธิบายความรู้ต่างๆ มากมายและยึดถือกันมาเป็นพันปี^[6] กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันจึงสอดคล้องกับงานของอริสโตเติลที่ว่า วัตถุทุกชนิดจะมีที่อยู่โดยเป็นไปอย่างธรรมชาติบนโลก ตัวอย่างเช่น วัตถุหนัก(หิน)จะต้องการหยุดนิ่งบนโลก วัตถุเบา(ควัน)ต้องการลอยไปในท้องฟ้า และดวงดาวต่างๆ ก็ต้องการรักษาสภาพคงไว้ที่ห้วงอวกาศเช่นกัน อริสโตเติล(ARISTOTLE)คิดว่าวัตถุที่หยุดนิ่งและกำลังเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่นั้นเป็นไปอย่างธรรมชาติ แต่ถ้าต้องการให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพของการเคลื่อนที่จะต้องใส่ตัวกระทำภายนอกเข้าไป มิฉะนั้นมันก็จะหยุดนิ่งเช่นเดิม และแนวคิดของกาลิเลโอ(GALILEO GALILEI) ที่ว่าในการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุจำเป็นต้องมีแรง ถ้าไม่มีแรงวัตถุก็จะเคลื่อนที่ต่อไป ซึ่งกาลิเลโอเรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า“ความเฉื่อย” ต่อมาในภายหลังนิวตันได้นำเอาแนวความคิดนี้มาเขียนขึ้นใหม่เป็นกฎข้อที่หนึ่ง เพื่อเป็นการให้เกียรติแก่กาลิเลโอจึงเรียกกฎข้อนี้ว่ากฎแห่งความเฉื่อย(LAW OF INERTIA) ซึ่งกฎแห่งความเฉื่อยนี้มักจะใช้ในกรณีที่วัตถุมีการเคลื่อนที่อยู่แล้วแต่ความเร็วไม่เปลี่ยนนั่นเอง

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 1 ของนิวตัน (Newton’s first law of motion) หรือกฎของความเฉื่อย กล่าวว่า“วัตถุจะรักษาสภาวะอยู่นิ่งหรือสภาวะเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง นอกจากมีแรงลัพธ์ซึ่งมีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ”^[7]คือ ถ้าวัตถุอยู่นิ่งก็ยังคงอยู่นิ่งเหมือนเดิม และถ้าวัตถุเกิดการเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ความเร็วคงที่ หรือความเร่งจะเป็นศูนย์ ซึ่งกรณีแรกจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลสถิต (static equilibrium) และอีกกรณีหลังจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลจลน์ (kinetic equilibrium) ^[8]มีสมการเป็นดังนี้ ∑F=0 Fคือ แรงลัพธ์ทั้งหมดที่กระทำกับวัตถุ

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 2 ของนิวตัน  บางทีเรียกว่า กฎความเร่ง กล่าวว่า“ความเร่งของอนุภาคเป็นปฏิภาคโดยตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำต่ออนุภาค โดยมีทิศทางเดียวกันและเป็นปฏิภาคผกผันกับมวลของอนุภาค” ^[9]ดังนั้น อัตราส่วนของแรงกับความเร่งจะเป็นค่าคงที่ ซึ่งตรงกับมวลของวัตถุ เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้ ∑F = MA

F คือ แรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)
m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
a คือ ความเร่งมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2 (m/s2)

ถ้าแรงลัพธ์ (F) กระทำกับวัตถุอันหนึ่ง จะทำให้วัตถุมีความเร่ง (a) ในทิศทางเดียวกันกับทิศทางของแรง ซึ่งแรงลัพธ์ (F) ที่กระทำกับวัตถุ จะเท่ากับผลคูณระหว่างมวล (m) และความเร่ง (a) ของวัตถุ จะสรุปได้ว่า “แรงลัพธ์คงที่ที่กระทำกับวัตถุ ซึ่งมีมวลคงที่ วัตถุนั้นจะมีความเร่งคงที่ในทิศทางของแรงที่กระทำนั้น”^[10]

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 3 ของนิวตัน เมื่อไหร่ก็ตามที่เราออกแรงดึงหรือกดไปที่สิ่งหนึ่ง เราก็จะถูกสิ่งๆ นั้นดึงหรือกดด้วยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ถ้าเราเอามือกดลงบนก้อนหิน ก้อนหินก็จะออกแรงกดลงบนมือเรา นั่นคือ เมื่อวัตถุออกแรงกระทำไปยังอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุที่ถูกแรงกระทำก็จะมีแรงโต้ตอบ โดยที่แรงทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้ามกันเสมอ เรียกว่า“แรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา(ACTION-REACTION PAIR)”^[11] เป็นกฎการเคลื่อนที่ข้อ 3 ของนิวตัน (NEWTON’S THIRD LAW OF MOTION) ที่กล่าวว่า“ทุกแรงกิริยา (ACTION) ย่อมมีแรงปฏิกิริยา (REACTION) ซึ่งมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงข้ามกันเสมอ”^[12]กฎข้อนี้เรียกว่า กฎของกิริยาและปฏิกิริยา (LAW OF ACTION AND REACTION) แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา หมายถึง แรงกระทำและแรงกระทำตอบ โดยเป็นแรงซึ่งกระทำต่อมวลที่ต่างกันและเกิดขึ้นพร้อมกันเป็นคู่เสมอ โดยที่มวลอาจไม่สัมผัสกันและถือว่าแรงหนึ่งแรงใดเป็นแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาก็ได้^[13]เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้ FA = -FR