เตรียมพร้อมสู่ความเข้าใจฟิสิกส์ที่มากกว่าแค่การท่องจำ! บทความนี้จะพาน้อง ๆ ทำความรู้จักกับ “กฎนิวตัน” ทั้งสามข้ออย่างละเอียด เข้าใจง่าย พร้อมตัวอย่างที่เห็นได้ในชีวิตประจำวัน นอกจากจะเตรียมสอบได้อย่างมั่นใจแล้ว ยังช่วยให้เข้าใจการเคลื่อนที่และแรงในโลกจริงได้ดีขึ้นด้วย โรงเรียนกวดวิชาออนดีมานด์ขอแนะนำบทความนี้เพื่อช่วยให้น้อง ๆ เรียนรู้พื้นฐานฟิสิกส์อย่างมีประสิทธิภาพและสนุกไปกับการวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของวัตถุแบบยิ้มมุมปาก
สำหรับเด็กสายวิทย์ การเข้าใจ “กฎนิวตัน” เป็นสิ่งที่สำคัญอย่างมาก เนื่องจากเป็นพื้นฐานสำคัญในหลายๆ แขนงวิชาของฟิสิกส์ และยังเป็นพื้นฐานสำคัญของวิชาในคณะวิศวกรรมศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นกลศาสตร์ วิศวกรรมเครื่องกล หรือวิศวกรรมยานยนต์ กฎของนิวตันพื้นฐานมี 3 ข้อ ถูกใช้ในการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ ที่เราพบเจอในชีวิตประจำวัน รวมถึงการเคลื่อนที่ในแนวตรงที่พี่จะอธิบายต่อไปนี้อีกด้วย
นิวตัน คือใคร ?
เซอร์ ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ถือกำเนิดใน ปี ค.ศ.1642 นิวตันสนใจดาราศาสตร์ และประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ชนิดสะท้อนแสง (Reflecting
telescope) ขึ้นโดยใช้โลหะเงาเว้าในการรวมแสง แทนการใช้เลนส์ เช่นในกล้องโทรทรรศน์ชนิด
หักเหแสง (Refracting telescope) นิวตันติดใจในปริศนาที่ว่า แรงอะไรทำให้ผลแอปเปิลตกสู่
พื้นดินและตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก และสิ่งนี้เองที่นำเขาไปสู่การค้นพบกฎที่สำคัญ 3 ข้อ
กฎของนิวตัน 3 ข้อ
กฎข้อที่ 1 : กฎความเฉื่อย ΣF = 0
“กฎความเฉื่อย” คือ วัตถุจะคงอยู่ในสภาพหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ จนกว่าจะมีแรงภายนอกมากระทำ
ตัวอย่างเหตุการณ์ของกฎความเฉื่อย
📌 วัตถุที่หยุดนิ่ง เช่น แก้วน้ำที่วางไว้เฉยๆ จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงถ้าไม่มีอะไรมากระทำต่อมัน
📌 รถที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ 80 กิโลเมตร/ชั่วโมง จะยังคงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิม จนกว่าเราจะเหยียบเบรค หรือ เหยียบคันเร่ง (การเหยียบเบรค หรือ เหยียบคันเร่งเป็นการออกแรง กระทำต่อรถ)
📌 เชือกที่ถูกดึงสองข้างด้วยแรงเท่ากัน จะหยุดนิ่งอยู่ตำแหน่งเดิม มีแรงกระทำต่อเชือก 2 แรง แต่กระทำในทิศตรงข้ามกัน ดึงด้วยขนาดเท่ากัน จึงหักล้างกัน ทำให้เชือกอยู่นิ่งตรงกลาง
📌 ผู้โดยสารในรถไฟที่เคลื่อนที่อย่างราบรื่นจะไม่รู้สึกว่าตัวเองกำลังเคลื่อนที่ หากไม่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วหรือทิศทาง
กฎข้อที่ 2 : กฎการเคลื่อนที่ ΣF = ma
“กฎการเคลื่อนที่” คือ ผลรวมของแรงที่กระทำต่อวัตถุจะทำให้วัตถุเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ โดยมีความเร่งในทิศทางเดียวกับแรงที่กระทำ (แรงที่กระทำหรือแรงลัพธ์มีค่าไม่เป็นศูนย์)
โดยที่:
📌 F คือ แรง (นิวตัน)
📌 m คือ มวล (กิโลกรัม)
📌a คือ ความเร่ง (เมตรต่อวินาที²)
กฎข้อนี้แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่มากระทำและการเคลื่อนที่ของวัตถุ ถ้าเรากระทำแรงมาก วัตถุก็จะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสูง เช่น หากเราออกแรงมากในการขว้างลูกฟุตบอล ลูกบอลก็จะเคลื่อนที่เร็วขึ้น
ตัวอย่างเหตุการณ์ของกฎการเคลื่อนที่
📌 การออกแรงเตะฟุตบอล ฟุตบอลเคลื่อนที่ไปตามทิศทางที่เตะ เนื่องจากมีความเร่งจากเท้าที่เตะ
📌เมื่อเราออกแรงเท่ากันเพื่อผลักรถให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า รถที่บรรทุกของที่มีมวลมากกว่าจะเคลื่อนทีช้ากว่ารถที่ไม่มีของ เนื่องจากความเร่งแปลผกผันกับมวลของวัตถุ
กฎข้อที่ 3 : กฎแรงกิริยาและปฏิกิริยา
“กฎแรงกิริยาและปฏิกิริยา” เป็นแรงที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม และกระทำกับวัตถุคนละชนิด” ( Action = Reaction ) เมื่อวัตถุหนึ่งกระทำแรงต่อวัตถุที่สอง วัตถุที่สองจะกระทำแรงตอบกลับต่อวัตถุแรก โดยมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม” หรือ “ทุกแรงกิริยาจะมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันในทิศตรงข้าม”
ตัวอย่างเหตุการณ์ของกฎแรงกิริยาและปฏิกิริยา
📌 ขณะที่คนกำลังพายเรือ จะดันไม้พายไปข้างหลัง และเกิดความเร่งขึ้น มีแรงที่ไม้พายกระทำต่อน้ำ เป็นแรงกิริยา และน้ำจะดันไม้พายไปข้างหน้า ซึ่งเป็นแรงปฏิกิริยา เป็นผลให้เรือเคลื่อนไปข้างหน้า ขนาดของแรงที่ไม้พายกระทำกับน้ำ เท่ากับ ขนาดของแรงที่น้ำกระทำกับไม้พาย แต่มีทิศทางตรงข้ามกัน
📌 ชายคนที 1 ต่อยหน้าชายคนที่ 2 ชายคนที่ถูกต่อยเจ็บหน้า และชายคนที่ต่อยก็เจ็บมือด้วยเช่นกัน ยิ่งออกแรงต่อยมากเท่าใด ก็จะยิ่งเจ็บมือมากเท่านั้น
📌 เมื่อเราก้าวเดิน ทุกครั้งที่เรายืนและก้าวเท้า แรงที่เราออกแรงไปบนพื้นคือแรงกิริยา และแรงที่พื้นตอบกลับมายังร่างกายเราคือแรงปฏิกิริยา การที่เราสามารถก้าวเดินไปข้างหน้าได้ก็เพราะแรงปฏิกิริยานี้
📌 นักกีฬาใช้ไม้ตีลูกเทนนิส แรงที่ไม้ตีลูกเทนนิสคือแรงกิริยา ส่วนแรงที่ลูกตอบกลับมาคือแรงปฏิกิริยา นี่คือสาเหตุที่มือของเรารู้สึกถึงการสั่นสะเทือนเมื่อเราเล่นเทนนิสหรือแบดมินตัน
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
การเคลื่อนที่ในแนวตรง
การเคลื่อนที่ในแนวตรงเป็นหัวข้อที่มักจะเน้นในวิชาฟิสิกส์สำหรับน้องที่เตรียมตัวเข้าศึกษาคณะวิศวกรรมศาสตร์ โดยเฉพาะวิชาที่เกี่ยวข้องกับกลศาสตร์พื้นฐานและการออกแบบเครื่องจักร
การเคลื่อนที่ในแนวตรง หมายถึง การที่วัตถุเคลื่อนที่ในเส้นตรง โดยกฎของนิวตันสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ลักษณะนี้ได้อย่างชัดเจน ตเช่น เมื่อเราขับรถยนต์บนถนนที่ไม่มีโค้งหรือเนิน การเคลื่อนที่ของรถยนต์ในเส้นตรงสามารถอธิบายได้ด้วยกฎของนิวตันทั้งสามข้อ
การคำนวณการเคลื่อนที่ในแนวตรงสามารถทำได้โดยใช้สมการของการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับเวลา ความเร็ว และระยะทาง โดยความเร่ง (a) จะเกิดขึ้นเมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ การเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุในระยะเวลาหนึ่งคือผลจากความเร่งนั้น
6 สมการสำคัญ ที่เกี่ยวกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
มักเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวัน อีกทั้งยังออกข้อสอบบ่อย ๆ ทั้งสอบเก็บคะแนน และเข้ามหาวิทยาลัย
1. กฎของการเคลื่อนที่ F = 0
ตัวอย่าง : ถ้ารถยนต์จอดนิ่งอยู่ที่ไฟแดง จะไม่เคลื่อนที่จนกว่าไฟจะเปลี่ยนเป็นสีเขียว
2. กฎของการเคลื่อนที่ที่สอง F = ma
ตัวอย่าง : หากคุณผลักรถเข็นของช็อปปิ้ง (มวล 10 kg) ด้วยแรง 20 N มันจะเร่งไปข้างหน้าโดยมีอัตราเร่ง a = fm = 2010 =2
3. กฎของการเคลื่อนที่ที่สาม Faction=−Freaction
ตัวอย่าง : เมื่อคุณนั่งบนเก้าอี้ คุณกดลงบนเก้าอี้ด้วยแรงของคุณ และเก้าอี้ก็ผลักกลับด้วยแรงเท่าเทียมกัน
โดยทั้ง 3 ข้อข้างบนอธิบายได้ว่า
- F = แรงที่กระทำต่อวัตถุ (นิวตัน, N)
- m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม, kg)
- a = ความเร่ง (เมตรต่อวินาที², m/s²)
4. แรงโน้มถ่วง
Fg = G • m1 • m2 /r²
- Fg = แรงโน้มถ่วงระหว่างสองวัตถุ (นิวตัน, N)
- G = ค่าคงที่แรงโน้มถ่วงสากล (6.674×10-11 N m2/kg2)
- m1 = มวลของวัตถุแรก (กิโลกรัม, kg)
- m2 = มวลของวัตถุที่สอง (กิโลกรัม, kg)
- r = ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของทั้งสองวัตถุ (เมตร, m)
5. งาน
W = F⋅d⋅cos(θ)
- W = งานที่ทำ (จูล, J)
- F = แรงที่กระทำ (นิวตัน, N)
- d = ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ (m)
- θ = มุมระหว่างแรงกับทิศทางการเคลื่อนที่
6. พลังงานจลน์
KE = 1/2 • mv2
- KE = พลังงานจลน์ (จูล, J)
- m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม, kg)
- v = ความเร็วของวัตถุ (m/s)
บทความอื่นๆ เพิ่มเติม 👉 : OnDemand