โมเมนตัมคือการวัดมวลที่เคลื่อนที่ วัตถุใด ๆ ที่กำลังเคลื่อนที่มีโมเมนตัม ตามที่นิวตันกำหนด โมเมนตัมของวัตถุ (p) เป็นผลคูณของมวล (m) และความเร็ว (v) ของวัตถุ ในทางฟิสิกส์ โมเมนตัมของวัตถุมีค่าเท่ากับมวลคูณความเร็ว
โดยปกติ โมเมนตัมจะย่อโดยใช้ตัวอักษร “p” ทำให้สมการมีลักษณะดังนี้:
โดยที่ p คือโมเมนตัม m คือมวลและ v คือความเร็ว
จากสมการนี้ เราจะเห็นได้ว่าความเร็วของวัตถุและมวลมีผลกับปริมาณโมเมนตัมเท่ากัน
เรามีโมเมนตัมเวลาวิ่งมากกว่าตอนเดิน ในทำนองเดียวกัน หากรถยนต์และจักรยานแล่นไปตามถนนด้วยความเร็วเท่ากัน รถจะมีโมเมนตัมมากขึ้น (เนื่องจากมวลที่มากขึ้น)
โมเมนตัมถือได้ว่าเป็นกำลังเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ กล่าวคือมีแรงมากน้อยเพียงใดต่อวัตถุอื่น ตัวอย่างเช่น ลูกโบว์ลิ่ง (มวลมาก) ที่ผลักช้ามาก (ความเร็วต่ำ) สามารถชนประตูกระจกและไม่ทำลายประตู ในขณะที่ลูกเบสบอล (มวลน้อย) สามารถขว้างได้เร็ว (ความเร็วสูง) และทำลายหน้าต่างเดียวกัน ลูกเบสบอลมีโมเมนตัมมากกว่าลูกโบว์ลิ่ง เนื่องจากโมเมนตัมเป็นผลคูณของมวลและความเร็วส่งผลต่อโมเมนตัมของวัตถุ ดังที่แสดงไว้ วัตถุที่มีมวลมากและความเร็วต่ำสามารถมีโมเมนตัมเท่ากับวัตถุที่มีมวลน้อยและความเร็วมาก กระสุนเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่มีโมเมนตัมสูงมาก เนื่องจากความเร็วที่ไม่ธรรมดา
โมเมนตัมเป็นปริมาณเวกเตอร์ ปริมาณเวกเตอร์คือปริมาณที่อธิบายได้ทั้งขนาดและทิศทาง เพื่ออธิบายโมเมนตัมของลูกโบว์ลิ่งขนาด 5 กก. ที่เคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตกด้วยความเร็ว 2 เมตร/วินาที เราต้องใส่ข้อมูลเกี่ยวกับทั้งขนาดและทิศทางของลูกโบว์ลิ่ง ไม่เพียงพอที่จะบอกว่าลูกบอลมีโมเมนตัม 10 กก. m/s; โมเมนตัมของลูกบอลจะอธิบายไม่ครบถ้วนจนกว่าจะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับทิศทางของลูกบอล ทิศทางของเวกเตอร์โมเมนตัมจะเหมือนกับทิศทางความเร็วของลูกบอล ทิศทางของเวกเตอร์ความเร็วนั้นเหมือนกับทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่ หากลูกโบว์ลิ่งเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตก ก็สามารถอธิบายโมเมนตัมของมันได้อย่างเต็มที่โดยบอกว่าลูกโบว์ลิ่งไปทางทิศตะวันตก 10 กก. ม./วินาที ในรูปของปริมาณเวกเตอร์ โมเมนตัมของวัตถุสามารถอธิบายได้ทั้งขนาดและทิศทาง ทิศทางของโมเมนตัมแสดงด้วยลูกศรหรือเวกเตอร์
หน่วยของโมเมนตัมคือ kg m/s (กิโลกรัมเมตรต่อวินาที) หรือ N s (นิวตันวินาที)
แรงกระตุ้น – แรงกระตุ้นคือการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมที่เกิดจากแรงใหม่ แรงนี้จะเพิ่มหรือลดโมเมนตัมขึ้นอยู่กับทิศทางของแรง ไปทางหรือออกจากวัตถุที่เคลื่อนที่มาก่อน หากแรงใหม่ (N) เคลื่อนไปในทิศทางของโมเมนตัมของวัตถุ (x) โมเมนตัมของ x จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นหาก N กำลังมุ่งหน้าไปยังวัตถุ x ในทิศทางตรงกันข้าม x จะช้าลงและโมเมนตัมของวัตถุจะลดลง
ในการทำความเข้าใจการอนุรักษ์โมเมนตัม ทิศทางของโมเมนตัมมีความสำคัญ เพิ่มโมเมนตัมในระบบโดยใช้การบวกเวกเตอร์ ภายใต้กฎของการบวกเวกเตอร์ การเพิ่มโมเมนตัมจำนวนหนึ่งร่วมกับโมเมนตัมจำนวนเท่ากันที่เคลื่อนไปในทิศทางตรงกันข้ามจะให้โมเมนตัมรวมเป็นศูนย์ ตัวอย่างเช่น เมื่อยิงปืน มวลขนาดเล็ก (กระสุน) จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงในทิศทางเดียว มวลที่ใหญ่กว่า (ปืน) จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วยความเร็วที่ช้ากว่ามาก การหดตัวของปืนเป็นเพราะการรักษาโมเมนตัมไว้ ปืนเคลื่อนที่กลับด้วยความเร็วต่ำกว่ากระสุนเพราะมีมวลมากกว่า โมเมนตัมของกระสุนและโมเมนตัมของปืนมีขนาดเท่ากันทุกประการ แต่มีทิศทางตรงกันข้าม การใช้เวกเตอร์เพิ่มเพื่อเพิ่มโมเมนตัมของกระสุนให้กับโมเมนตัมของปืน (ขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม) ให้โมเมนตัมของระบบทั้งหมดเป็นศูนย์ โมเมนตัมของระบบกระสุนปืนถูกสงวนไว้
เมื่อวัตถุสองชิ้นชนกันจะเรียกว่าการชนกัน ในวิชาฟิสิกส์ การชนไม่จำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุ (เช่น รถสองคันชนกัน) แต่อาจเป็นเหตุการณ์ใดๆ ก็ได้ที่วัตถุเคลื่อนที่สองชิ้นหรือมากกว่าออกแรงปะทะกันในช่วงเวลาสั้นๆ
การชนมีสองประเภท – แบบยืดหยุ่นและไม่ยืดหยุ่น
การ ชนกันแบบยืดหยุ่น เป็นสิ่งที่ไม่มีพลังงานจลน์หายไป การชนกันแบบยืดหยุ่นเกิดขึ้นเมื่อวัตถุทั้งสอง "กระดอน" ออกจากกันเมื่อชนกัน
การ ชนกันแบบไม่ยืดหยุ่น คือการที่พลังงานจลน์บางส่วนของวัตถุที่ชนกันหายไป เนื่องจากพลังงานถูกแปลงเป็นพลังงานประเภทอื่น เช่น ความร้อนหรือเสียง การชนกันแบบไม่ยืดหยุ่นเกิดขึ้นเมื่อวัตถุสองชิ้นชนกันและไม่กระเด็นออกจากกัน
ตัวอย่าง:
ทฤษฎีที่สำคัญในฟิสิกส์คือกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม กฎข้อนี้อธิบายถึงสิ่งที่เกิดขึ้นกับโมเมนตัมเมื่อวัตถุสองชิ้นชนกัน กฎหมายระบุว่าเมื่อวัตถุสองชิ้นชนกันในระบบปิด โมเมนตัมรวมของวัตถุทั้งสองก่อนการชนจะเท่ากับโมเมนตัมรวมของวัตถุทั้งสองหลังการชนกัน โมเมนตัมของแต่ละวัตถุอาจเปลี่ยนแปลงได้ แต่โมเมนตัมทั้งหมดต้องเท่าเดิม
ตัวอย่างเช่น ถ้าลูกบอลสีแดงที่มีมวล 10 กก. เคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออกด้วยความเร็ว 5 เมตร/วินาที และชนกับลูกบอลสีน้ำเงินที่มีมวล 20 กก. เคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตกด้วยความเร็ว 10 เมตร/วินาที ผลลัพธ์จะเป็นเช่นไร ?
อันดับแรก เราระบุโมเมนตัมของลูกบอลแต่ละลูกก่อนการชน:
ลูกบอลสีแดง = 10 กก. * 5 ม./วินาที = 50 กก. ม./วินาที ทางทิศตะวันออก
ลูกบอลสีน้ำเงิน = 20 กก. * 10 ม./วินาที = 200 กก. ม./วิ ทางทิศตะวันตก
โมเมนตัมที่ได้จะเป็นทั้งสองลูก = 150 กก. m/s ทิศตะวันตก
หมายเหตุ: วัตถุที่ยืนอยู่ยังคงมีโมเมนตัม 0 kg m/s
โมเมนตัมที่เรากล่าวถึงข้างต้นส่วนใหญ่เป็นโมเมนตัมเชิงเส้น มันสอดคล้องกับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโมเมนตัม – วัตถุขนาดใหญ่ที่เคลื่อนที่เร็วมีโมเมนตัมมากกว่าวัตถุที่เล็กกว่าและช้ากว่า โมเมนตัมเชิงเส้นแสดงเป็น p = mv
ตามหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้น หากไม่มีแรงภายนอก โมเมนตัมทั้งหมดของระบบจะไม่เปลี่ยนแปลง โมเมนตัมของส่วนประกอบแต่ละอย่างสามารถและมักจะเปลี่ยนแปลงได้ แต่โมเมนตัมรวมของระบบยังคงที่
แต่สิ่งที่เกี่ยวกับวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม? ปรากฎว่าเราไม่สามารถจินตนาการโมเมนตัมเชิงมุมในลักษณะเดียวกันได้ โมเมนตัมเชิงมุมคือโมเมนตัมของวัตถุที่หมุนหรือเคลื่อนที่เป็นวงกลมและมีค่าเท่ากับผลคูณของโมเมนต์ความเฉื่อยและความเร็วเชิงมุม โมเมนตัมเชิงมุมมีหน่วยวัดเป็นกิโลกรัมเมตรกำลังสองต่อวินาที
วัตถุที่หมุนได้มีความเฉื่อยสัมพันธ์กับโมเมนต์ความเฉื่อย โมเมนต์ความเฉื่อยเปรียบเสมือนมวลในโมเมนตัมเชิงเส้น เนื่องจากเป็นความต้านทานการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบในการหมุนเมื่อใช้แรงบิด (เทียบเท่าการหมุนของแรง)
โมเมนต์ความเฉื่อยขึ้นอยู่กับ:
โมเมนตัมเชิงมุมแสดงเป็น L = Iω สมการนี้เป็นแอนะล็อกกับคำจำกัดความของโมเมนตัมเชิงเส้นเป็น p = mv หน่วยของโมเมนตัมเชิงเส้นคือ kg m/s ในขณะที่หน่วยของโมเมนตัมเชิงมุมคือ kg m2/s อย่างที่เราคาดไว้ วัตถุที่มีโมเมนต์ความเฉื่อย I มาก เช่น โลก มีโมเมนตัมเชิงมุมขนาดใหญ่มาก วัตถุที่มีความเร็วเชิงมุมมาก ω เช่น เครื่องหมุนเหวี่ยง ก็มีโมเมนตัมเชิงมุมที่ค่อนข้างใหญ่เช่นกัน
การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมอธิบายปรากฏการณ์มากมาย โมเมนตัมเชิงมุมทั้งหมดของระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหากไม่มีแรงบิดภายนอกกระทำการใดๆ ความเร็วในการหมุนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายๆ โดยการเปลี่ยนโมเมนต์ความเฉื่อย
ตัวอย่างของการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมคือเมื่อนักสเก็ตน้ำแข็งทำการหมุน แรงบิดสุทธิบนตัวเธอนั้นใกล้เคียงกับศูนย์มาก เพราะมีแรงเสียดทานค่อนข้างน้อยระหว่างรองเท้าสเก็ตของเธอกับน้ำแข็ง และเนื่องจากความเสียดทานเกิดขึ้นใกล้กับจุดหมุนมาก ดังนั้นเธอจึงสามารถหมุนได้ค่อนข้างนาน เธอสามารถทำอย่างอื่นได้เช่นกัน เธอสามารถเพิ่มอัตราการหมุนของเธอได้โดยการดึงแขนและขาของเธอเข้าไป ทำไมการดึงแขนและขาของเธอจึงเพิ่มอัตราการหมุนของเธอ คำตอบคือโมเมนตัมเชิงมุมของเธอคงที่เนื่องจากแรงบิดสุทธิของตัวมันเล็กเพียงเล็กน้อย อัตราการหมุนของเธอเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเธอดึงแขนของเธอ ลดโมเมนต์ความเฉื่อยของเธอ งานที่เธอทำเพื่อดึงแขนของเธอส่งผลให้เกิดพลังงานจลน์ในการหมุนเพิ่มขึ้น
มีตัวอย่างอื่นๆ อีกหลายตัวอย่างของวัตถุที่เพิ่มอัตราการหมุนของวัตถุเพราะมีบางอย่างลดโมเมนต์ความเฉื่อย พายุทอร์นาโดเป็นตัวอย่างหนึ่ง ระบบพายุที่สร้างพายุทอร์นาโดกำลังหมุนอย่างช้าๆ เมื่อรัศมีการหมุนแคบลง แม้แต่ในพื้นที่ท้องถิ่น ความเร็วเชิงมุมจะเพิ่มขึ้น บางครั้งถึงระดับที่รุนแรงของพายุทอร์นาโด โลกเป็นอีกตัวอย่างหนึ่ง โลกของเราเกิดจากเมฆก๊าซและฝุ่นขนาดมหึมา ซึ่งการหมุนรอบนั้นมาจากความปั่นป่วนในเมฆที่ใหญ่ยิ่งขึ้นไปอีก แรงโน้มถ่วงทำให้เมฆหดตัว และอัตราการหมุนก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย
ในกรณีของการเคลื่อนไหวของมนุษย์ เราไม่คิดว่าโมเมนตัมเชิงมุมจะถูกอนุรักษ์ไว้เมื่อร่างกายมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมขณะที่เท้าเหยียบพื้น นักบินอวกาศที่ลอยอยู่ในอวกาศไม่มีโมเมนตัมเชิงมุมเทียบกับด้านในของเรือหากพวกมันไม่มีการเคลื่อนไหว ร่างกายของพวกเขาจะยังคงมีค่าเป็นศูนย์ไม่ว่าพวกเขาจะบิดเบี้ยวอย่างไรตราบใดที่พวกเขาไม่ผลักตัวเองออกจากด้านข้างของเรือ
