กฎสามข้อของนิวตันเป็นรากฐานของกลศาสตร์ ซึ่งอธิบายว่าทำไมวัตถุถึงหยุดนิ่ง เคลื่อนที่ และมีปฏิสัมพันธ์ต่อกันอย่างไร กฎข้อที่หนึ่ง กล่าวถึงสภาวะที่วัตถุรักษาความเร็วไว้ กฎข้อที่สอง เชื่อมโยงแรง มวล และความเร่งด้วยสูตร \(F = ma\) และ กฎข้อที่สาม อธิบายว่าแรงมักเกิดขึ้นเป็นคู่เสมอ ในหน้านี้มีนิยามที่แม่นยำของกฎทั้งสามข้อ สูตร ตัวอย่างที่เห็นภาพชัดเจน การวิเคราะห์โจทย์ และแบบฝึกหัดเชิงโต้ตอบเพื่อให้คุณทดสอบความเข้าใจได้ทันที
กฎของนิวตันคืออะไร
กฎของนิวตันคือกฎสามข้อที่อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุใดๆ ภายใต้แรงกระทำ ซึ่งถูกตั้งขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ไอแซก นิวตัน ในศตวรรษที่ 17 และตั้งแต่นั้นมา กฎเหล่านี้ได้กลายเป็นรากฐานของกลศาสตร์คลาสสิกทั้งหมด ตั้งแต่การเคลื่อนที่ของลูกบอลไปจนถึงการโคจรของดาวเคราะห์
สรุปใจความสำคัญของแต่ละกฎ:
- กฎข้อที่หนึ่ง (กฎความเฉื่อย) — วัตถุจะไม่เปลี่ยนความเร็วด้วยตัวเอง หากต้องการให้เร่ง หยุด หรือเลี้ยว ต้องมีแรงมากระทำ
- กฎข้อที่สอง — ยิ่งแรงมากและมวลน้อย วัตถุจะยิ่งเร่งเร็วขึ้น: \(a = \dfrac{F}{m}\)
- กฎข้อที่สาม — แรงมักเกิดขึ้นเป็นคู่เสมอ: หากวัตถุหนึ่งผลักอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุที่สองจะผลักวัตถุแรกกลับด้วยแรงที่มีขนาดเท่ากันในทิศทางตรงกันข้าม
กฎเหล่านี้ทำงานร่วมกัน: กฎข้อที่หนึ่งแนะนำแนวคิดเรื่องแรง กฎข้อที่สองช่วยให้คำนวณแรงได้ และกฎข้อที่สามแสดงให้เห็นว่าแรงคือปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุสองชิ้นเสมอ
กฎข้อที่หนึ่ง สอง และสามของนิวตัน: นิยามและสูตร
ด้านล่างนี้คือการ์ดสามใบ: นิยามของแต่ละกฎ สูตร และตัวอย่างที่เข้าใจง่ายในชีวิตประจำวัน
เปรียบเทียบกฎสามข้อของนิวตัน
เพื่อให้จำกฎได้แม่นยำ การดูเปรียบเทียบกันจะช่วยให้เข้าใจว่าแต่ละกฎคืออะไร มีสูตรอย่างไร และจะสังเกตเห็นได้อย่างไรในโจทย์
| กฎ | สูตร | ใจความสำคัญ |
|---|---|---|
| ข้อที่ 1 | $\vec{F}=0 \Rightarrow \vec{v}=const$ | ไม่มีแรง วัตถุไม่เปลี่ยนความเร็ว (ความเฉื่อย) |
| ข้อที่ 2 | $F = ma$ | แรงทำให้เกิดความเร่ง; มวล "ต้าน" การเร่ง |
| ข้อที่ 3 | $\vec{F}_{12}=-\vec{F}_{21}$ | แรงเกิดขึ้นเป็นคู่ระหว่างวัตถุสองชิ้น |
วิเคราะห์โจทย์กฎของนิวตัน
โจทย์ข้อที่ 1. หาความเร่ง (กฎข้อที่สอง)
โจทย์: วัตถุมวล \(m = 2\) กก. ถูกแรง \(F = 10\) นิวตันกระทำ จงหาความเร่ง
วิธีทำ: ใช้กฎข้อที่สองของนิวตัน \(F = ma\) จัดรูปหาความเร่ง:
คำตอบ: \(a = 5\) ม./วินาที² ความเร่งมีทิศทางเดียวกับแรงที่กระทำ
โจทย์ข้อที่ 2. หาแรง (กฎข้อที่สอง)
โจทย์: วัตถุมวล \(m = 4\) กก. เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง \(a = 3\) ม./วินาที² แรงที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่มีค่าเท่าใด?
วิธีทำ: ใช้กฎข้อที่สองโดยตรง:
คำตอบ: \(F = 12\) นิวตัน นอกจากนี้ยังสามารถหามวลได้จาก \(m = \dfrac{F}{a}\)
โจทย์ข้อที่ 3. แรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา (กฎข้อที่สาม)
โจทย์: คนผลักกำแพงด้วยแรง 200 นิวตัน กำแพงจะผลักคนด้วยแรงเท่าใด?
วิธีทำ: ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงโต้ตอบมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม: \(\vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21}\)
ดังนั้น กำแพงจะตอบโต้ด้วยแรงที่มีขนาดเท่ากันคือ 200 นิวตัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม นี่คือเหตุผลที่คนไม่ "ทะลุ" กำแพง แต่สามารถผลักตัวเองออกจากกำแพงได้
ข้อควรจำ: แรงสองแรงนี้กระทำต่อวัตถุคนละชิ้น (แรงหนึ่งกระทำต่อกำแพง อีกแรงกระทำต่อคน) ดังนั้นแรงทั้งสองจึงไม่หักล้างกันเอง
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในกฎของนิวตัน
-
เข้าใจผิดว่าแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา (กฎข้อที่สาม) หักล้างกันเอง ทำให้ "ไม่มีอะไรเกิดขึ้น"
แรงเหล่านี้กระทำต่อวัตถุคนละชิ้น: แรงหนึ่งกระทำต่อวัตถุชิ้นแรก อีกแรงกระทำต่อชิ้นที่สอง แรงที่จะหักล้างกันได้ต้องกระทำต่อวัตถุชิ้นเดียวกันเท่านั้น ดังนั้นแรงคู่ตามกฎข้อที่สามจึงไม่เคย "หักล้าง" การเคลื่อนที่
-
สับสนระหว่างมวลและน้ำหนัก: นำน้ำหนักในหน่วยนิวตันไปแทนค่ามวลในหน่วยกิโลกรัมในสูตร $F = ma$
มวล \(m\) คือปริมาณเนื้อสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัมและคงที่เสมอ ส่วนน้ำหนักคือแรงที่วัตถุกดทับพื้น มีหน่วยเป็นนิวตัน: \(P = mg\) ในสูตรกฎข้อที่สองต้องใช้มวลในหน่วย กก. เท่านั้น
-
คิดว่าเมื่อ $F = 0$ วัตถุจะต้องหยุดนิ่งเสมอ
กฎข้อที่หนึ่งครอบคลุมสองกรณี: วัตถุหยุดนิ่ง หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในแนวตรง หากแรงลัพธ์เป็นศูนย์ วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะยังคงเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วเท่าเดิม ไม่ใช่หยุดนิ่ง
-
คิดว่าการรักษาการเคลื่อนที่ต้องใช้แรงตลอดเวลา
แรงจำเป็นสำหรับการเปลี่ยนความเร็ว (เร่ง, เบรก, เลี้ยว) ไม่ใช่เพื่อการเคลื่อนที่เฉยๆ หากไม่มีแรงเสียดทาน วัตถุจะเคลื่อนที่ไปตลอดกาลโดยไม่ต้องใช้แรงเลย นี่คือกฎความเฉื่อย
คำถามและคำตอบ
กฎข้อที่หนึ่งและข้อที่สองของนิวตันต่างกันอย่างไร?
กฎข้อที่หนึ่งอธิบายกรณีเฉพาะเมื่อแรงเป็นศูนย์: วัตถุจะรักษาความเร็วไว้ (หยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่คงที่) กฎข้อที่สองเป็นกฎทั่วไป: แสดงให้เห็นว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อแรงไม่เป็นศูนย์ และช่วยให้คำนวณความเร่งได้จากสูตร \(a = F/m\) ในความเป็นจริง กฎข้อที่หนึ่งคือกฎข้อที่สองเมื่อ \(F = 0\)
สรุปกฎสามข้อของนิวตันสั้นๆ คืออะไร?
ข้อที่หนึ่ง: หากไม่มีแรงกระทำ วัตถุจะรักษาความเร็วไว้ ข้อที่สอง: ความเร่งเท่ากับแรงหารด้วยมวล (\(a = F/m\)) ข้อที่สาม: วัตถุโต้ตอบกันด้วยแรงที่เท่ากันและตรงกันข้าม
กฎของนิวตันใช้ได้ในสภาวะไร้น้ำหนักหรือไม่?
ได้ สภาวะไร้น้ำหนักหมายความว่าวัตถุไม่กดทับพื้น (น้ำหนักเป็นศูนย์) แต่มวลและแรงยังคงอยู่ ในสภาวะไร้น้ำหนัก กฎทั้งสามข้อก็ยังทำงาน: การจะเร่งวัตถุยังคงต้องใช้แรง (\(F = ma\)) และเมื่อผลักกันก็จะเกิดแรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา (กฎข้อที่สาม) นี่คือเหตุผลที่นักบินอวกาศสามารถเคลื่อนที่ได้โดยการผลักผนังสถานีอวกาศ
ความเฉื่อยคืออะไรในภาษาที่เข้าใจง่าย?
ความเฉื่อยคือคุณสมบัติของวัตถุที่พยายามรักษาความเร็วของตัวเองไว้จนกว่าจะมีแรงมากระทำ ยิ่งมวลมาก ความเฉื่อยยิ่งมาก และการเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของวัตถุก็ยิ่งยากขึ้น ความเฉื่อยนี่เองที่ทำให้ผู้โดยสารพุ่งไปข้างหน้าเมื่อเบรกและพุ่งไปข้างหลังเมื่อเร่ง
แรงวัดในหน่วยอะไร และ 1 นิวตันคืออะไร?
แรงวัดในหน่วยนิวตัน (น.) จากสูตร \(F = ma\): 1 นิวตัน คือแรงที่ทำให้วัตถุมวล 1 กก. มีความเร่ง 1 ม./วินาที² นั่นคือ 1 น. = 1 กก.·ม./วินาที²
