การเคลื่อนไหวเป็นหัวข้อหลักในกลศาสตร์
มีกฎหมายต่างๆ ที่อธิบายการเคลื่อนไหวและสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนไหว กฎการเคลื่อนที่ที่มีชื่อเสียงที่สุดเหล่านี้ถูกเสนอโดย Sir Issac Newton เขารวบรวมกฎการเคลื่อนที่สามข้อไว้ในหลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ (ตีพิมพ์ในปี 1687)
ก่อนที่เราจะเริ่มพูดถึงกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ให้เราดูคำศัพท์และแนวคิดพื้นฐานบางอย่างที่ใช้อธิบายการเคลื่อนไหว
แรง คือการผลักหรือดึงที่กระทำต่อวัตถุเพื่อเคลื่อนที่หรือเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของวัตถุ
ความเร็ว เรียกอีกอย่างว่าความเร็ว ความเร็วของวัตถุได้รับอิทธิพลจากแรง
ความเร่ง คือการวัดความเร็วของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหนึ่ง (หนึ่งวินาที)
มวล คือปริมาณของบางสิ่งที่มีอยู่และวัดเป็นกรัมหรือกิโลกรัม
โมเมนตัม คือจำนวนการเคลื่อนไหวทั้งหมดที่มีอยู่ในร่างกาย
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน
ร่างกายยังคงอยู่ในสภาพพักหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ เว้นแต่จะมีการใช้แรงภายนอกกับร่างกาย ไม่ว่าเราจะเหยียบคันเร่งเพื่อขึ้นเนิน เหยียบพื้นเพื่อเดินไปที่สวนสาธารณะ หรือดึงลิ้นชักที่ติดอยู่เพื่อเปิดออก แรงที่เราใช้ทำให้สิ่งต่างๆ เคลื่อนไหว กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันบอกเราว่าเมื่อแรงสุทธิเป็นศูนย์กระทำต่อ ความเร็วของวัตถุจะต้องคงที่ หากวัตถุนั้นหยุดนิ่ง วัตถุนั้นก็จะยืนนิ่งต่อไป ถ้ามันเคลื่อนที่ในตอนแรก มันจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่
กฎข้อแรกของนิวตันกำหนดความเฉื่อยและเรียกว่า กฎความเฉื่อยอย่างถูกต้อง ในการขับซอสมะเขือเทศออกจากก้นขวดซอสมะเขือเทศ มักพลิกคว่ำและดันลงด้านล่างด้วยความเร็วสูงแล้วจึงหยุดกระทันหัน
การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตันมีดังนี้:
- เพื่อที่จะขึ้นรถบัสที่กำลังเคลื่อนที่ได้อย่างปลอดภัย เราต้องวิ่งไปข้างหน้าในทิศทางของการเคลื่อนที่ของรถบัส
- เมื่อใดก็ตามที่จำเป็นต้องกระโดดจากรถบัสที่เคลื่อนที่ เราต้องวิ่งเป็นระยะทางสั้น ๆ หลังจากกระโดดบนถนนเพื่อป้องกันไม่ให้เราล้มไปข้างหน้า
- เลือดไหลตั้งแต่หัวจรดเท้าในขณะที่หยุดอย่างรวดเร็วเมื่อขึ้นลิฟต์ลง
- หัวค้อนสามารถขันให้แน่นบนด้ามไม้ได้โดยการกระแทกที่ด้านล่างของด้ามกับพื้นผิวที่แข็ง
- พนักพิงศีรษะถูกวางไว้ในรถยนต์เพื่อป้องกันการบาดเจ็บจากการกระแทกจากด้านหลัง
- ขณะขี่สเกตบอร์ด (หรือเกวียนหรือจักรยาน) คุณจะบินไปข้างหน้าจากกระดานเมื่อชนกับขอบถนนหรือหิน หรือวัตถุอื่นที่ทำให้สเก็ตบอร์ดหยุดชะงัก
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน
ตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน อัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงกระทำ และการเปลี่ยนแปลงนี้จะเกิดขึ้นในทิศทางของแรงกระทำเสมอ แรงสุทธิที่กระทำต่อวัตถุมีค่าเท่ากับผลคูณของมวลของวัตถุและความเร่งของวัตถุ
แรงสุทธิ = มวล * ความเร่ง หรือ F = ma
ยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด ก็ยิ่งต้องใช้แรงสุทธิในการเคลื่อนย้ายวัตถุ
การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตันมีดังนี้:
- หากคุณใช้แรงเท่ากันในการผลักรถบรรทุกและผลักรถ รถจะมีอัตราเร่งมากกว่ารถบรรทุก เนื่องจากรถบรรทุกมีมวลน้อยกว่า
- ง่ายกว่าที่จะผลักตะกร้าสินค้าที่ว่างเปล่ากว่าตะกร้าเต็มเพราะตะกร้าสินค้าเต็มมีมวลมากกว่าตะกร้าที่ว่างเปล่า ซึ่งหมายความว่าต้องใช้แรงมากขึ้นในการผลักตะกร้าสินค้าเต็ม
- ผู้เล่นคริกเก็ตลดมือขณะจับลูกบอล หากผู้เล่นไม่ลดมือลงขณะจับลูกบอล เวลาหยุดลูกบอลจะน้อยมาก ดังนั้นต้องใช้แรงมากเพื่อลดความเร็วของลูกบอลให้เป็นศูนย์หรือเพื่อเปลี่ยนโมเมนตัมของลูกบอล เมื่อผู้เล่นลดมือลง เวลาที่ใช้ในการหยุดลูกบอลจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงต้องใช้แรงน้อยลงเพื่อทำให้โมเมนตัมของลูกบอลเปลี่ยนแปลงเช่นเดียวกัน ดังนั้นมือของผู้เล่นจึงไม่ได้รับบาดเจ็บ
- ผู้เล่นคาราเต้ทำลายกองกระเบื้องหรืออิฐด้วยการเป่าเพียงครั้งเดียว เมื่อผู้เล่นคาราเต้ตีกองกระเบื้องด้วยมือของเขา เขาจะรีบทำโดยเร็วที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่ง เวลาที่ใช้ในการตีกองกระเบื้องนั้นน้อยมาก เนื่องจากโมเมนตัมของมือของผู้เล่นคาราเต้ลดลงเหลือศูนย์เมื่อมือของเขากระแทกกองกระเบื้องในช่วงเวลาที่สั้นมาก ดังนั้น แรงมหาศาลจึงถูกกระทำต่อกองกระเบื้อง แรงนี้เพียงพอที่จะทำลายกองกระเบื้อง
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามกล่าวว่าสำหรับทุกการกระทำจะมีปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้ามซึ่งกระทำด้วยโมเมนตัมเท่ากันและความเร็วตรงกันข้าม คำสั่งนี้หมายความว่าในทุกปฏิสัมพันธ์ มีแรงคู่หนึ่งที่กระทำต่อวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กันทั้งสอง ขนาดของแรงบนวัตถุชิ้นแรก เท่ากับขนาดของแรงบนวัตถุชิ้นที่สอง ทิศทางของแรงบนวัตถุแรกอยู่ตรงข้ามกับทิศทางของแรงบนวัตถุที่สอง แรงมาเป็นคู่เสมอ - คู่แรงปฏิกิริยา-ปฏิกิริยาเท่ากันและตรงกันข้าม
การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตันมีดังนี้:
- เมื่ออากาศพุ่งออกจากบอลลูน ปฏิกิริยาตรงกันข้ามคือบอลลูนลอยขึ้น
- เมื่อคุณดำน้ำจากกระดานดำน้ำ คุณต้องกดลงบนกระดานกระโดดน้ำ กระดานเด้งกลับและดันคุณขึ้นไปในอากาศ
- ลองนึกดูว่าปลาว่ายผ่านน้ำได้อย่างไร ปลาใช้ครีบดันน้ำถอยหลัง น้ำยังผลักปลาไปข้างหน้าจึงขับเคลื่อนปลาผ่านน้ำ ขนาดของแรงที่กระทำต่อน้ำ เท่ากับขนาดของแรงที่กระทำต่อปลา ทิศทางของแรงบนน้ำ (ย้อนกลับ) อยู่ตรงข้ามกับทิศทางของแรงที่กระทำต่อปลา (ไปข้างหน้า) สำหรับทุกการกระทำจะมีแรงปฏิกิริยาเท่ากัน (ในขนาด) และตรงข้าม (ในทิศทาง) คู่แรงปฏิกิริยา-ปฏิกิริยาทำให้ปลาว่ายน้ำได้
- พิจารณาการเคลื่อนที่ของนก นกบินได้โดยใช้ปีกของมัน ปีกของนกผลักอากาศลง เนื่องจากแรงเกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน อากาศจึงต้องผลักนกขึ้นไปด้านบน ขนาดของแรงในอากาศเท่ากับขนาดของแรงที่กระทำต่อนก ทิศทางของแรงในอากาศ (ลง) อยู่ตรงข้ามกับทิศทางของแรงที่กระทำต่อนก (ขึ้น) คู่แรงปฏิกิริยาปฏิกิริยาเหล่านี้ทำให้นกสามารถบินได้
