Key Takeaways:
หัวใจสำคัญของการเรียนกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ม.4 คือบทพื้นฐานที่น้องๆจะต้องเจอ ซึ่งน้อง ๆ จำเป็นต้องเข้าใจเนื้อหาของการเคลื่อนที่มาก่อน เพราะเป็นฐานสำคัญในทำความเข้าใจกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน นอกจากนี้ บทกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเป็นหนึ่งในหัวข้อยอดฮิตที่ออกในข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ บ่อยมาก โจทย์มักจะชอบการคำนวณการเคลื่อนที่โดยมีแรงมากระทำกับวัตถุ ถ้าเข้าใจบทนี้ตั้งแต่เนิ่น ๆ จะช่วยลดความกดดันเมื่อสอบจริงได้
Table of Contents
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน คืออะไร?
เซอร์ ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ ได้ตีพิมพ์ผลงานสำคัญระดับโลกชื่อว่า Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ในปี ค.ศ. 1687 ซึ่งในหนังสือเล่มนี้ได้อธิบายถึง กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s Laws of Motion) ทั้ง 3 ข้อ กฎเหล่านี้คือรากฐานของวิชากลศาสตร์ดั้งเดิม (Classical Mechanics) ที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่าง “แรง” ที่กระทำต่อวัตถุ และ “การเคลื่อนที่” ของวัตถุนั้นๆ ซึ่งเป็นเนื้อหาหลักที่น้องๆ ต้องเจอในวิชาฟิสิกส์ บทที่ว่าด้วยเรื่อง แรงและกฎการเคลื่อนที่
กฎข้อที่ 1 ของนิวตัน: กฎของความเฉื่อย (Law of Inertia)
กฎข้อที่ 1 ของนิวตัน กล่าวไว้ว่า “วัตถุจะรักษาสภาพหยุดนิ่ง หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดิมต่อไป จนกว่าจะมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำ”
ความหมายง่ายๆ คือ ถ้าไม่มีใครไปยุ่งกับมัน วัตถุที่อยู่นิ่งๆ ก็จะอยู่นิ่งๆ ต่อไป ส่วนวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ก็จะเคลื่อนที่แบบนั้นไปเรื่อยๆ ในอวกาศที่ไม่มีแรงต้าน
กฎข้อที่ 2 ของนิวตัน: กฎของความเร่ง (Law of Acceleration)
กฎข้อที่ 2 เป็นกฎที่สำคัญที่สุดในการคำนวณวิชาฟิสิกส์ นิวตันกล่าวว่า “ความเร่งของวัตถุจะแปรผันตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุ และจะแปรผกผันกับมวลของวัตถุนั้น โดยทิศทางของความเร่งจะอยู่ในทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์”
หากอธิบายให้เห็นภาพ: ถ้าคุณออกแรงผลักรถเข็นที่ว่างเปล่า (มวลน้อย) รถจะพุ่งไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว (ความเร่งมาก) แต่ถ้าคุณออกแรงเท่าเดิมผลักรถเข็นที่ใส่ของเต็มคัน (มวลมาก) รถจะเคลื่อนที่ช้ากว่า (ความเร่งน้อย)
สูตรกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน
\sum \vec{F} = m\vec{a}โดยที่:
\sum \vec{F} คือ แรงลัพธ์ทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ (มีหน่วยเป็น นิวตัน, \text{N} )
m คือ มวลของวัตถุ (มีหน่วยเป็น กิโลกรัม, \text{kg} )
\vec{a} คือ ความเร่งของวัตถุ (มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาทีกำลังสอง, \text{m/s}^2 )
ในกรณีที่ความเร่ง ( a ) เป็นศูนย์ เราสามารถเขียนสมการได้ว่า:
\sum \vec{F} = 0ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน:
เมื่อรถเบรกกะทันหัน ตัวเราจะพุ่งไปข้างหน้า เพราะตัวเราพยายามรักษาสภาพการเคลื่อนที่เดิมไว้ (ความเฉื่อย)
การดึงผ้าปูโต๊ะอย่างรวดเร็วโดยที่แก้วน้ำบนโต๊ะไม่ล้ม
กฎข้อที่ 3 ของนิวตัน: กฎของแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา (Action-Reaction Forces)
กฎข้อนี้กล่าวว่า “สำหรับทุกแรงกิริยา (Action) จะมีแรงปฏิกิริยา (Reaction) ที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามเสมอ”
จุดที่หลายคนมักสับสนคือ แรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา จะกระทำบนวัตถุคนละก้อนกันเสมอ ดังนั้นจึงไม่สามารถนำมาหักล้างกันเพื่อหาแรงลัพธ์ในกฎข้อที่ 2 ได้
สูตรกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน
\vec{F}_{Action} = -\vec{F}_{Reaction}ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน:
นกบิน: ปีกนกผลักอากาศลง (Action) อากาศดันปีกนกขึ้น (Reaction)
การเดิน: เท้าเราถีบพื้นไปข้างหลัง (Action) พื้นดันเท้าเราไปข้างหน้า (Reaction)
บทสรุป
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันทั้ง 3 ข้อ เป็นเสาหลักที่สำคัญในการศึกษาวิชาฟิสิกส์กลศาสตร์ การทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้ในเรื่องของ ความเฉื่อย (กฎข้อที่ 1), ความเร่งและแรงลัพธ์ (กฎข้อที่ 2) และแรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา (กฎข้อที่ 3) จะช่วยให้น้องๆ สามารถวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของวัตถุในระบบต่างๆ ได้อย่างแม่นยำ สิ่งสำคัญที่สุดในการทำโจทย์คือการไม่ท่องจำสมการเพียงอย่างเดียว แต่ต้องวาดแผนภาพแรง (Free Body Diagram) ให้ถูกต้องและกำหนดทิศทางบวก/ลบอย่างรอบคอบ
ตัวอย่างข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ เรื่อง กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
ตัวอย่างที่ 1 สัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ระหว่างวัตถุชิ้นหนึ่งกับพื้นผิว \text{A} มีค่าเท่ากับ 0.30 เมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่พบว่าใช้แรงดึงในแนวระดับเท่ากับ 8.0 นิวตัน
ถ้าลากวัตถุชิ้นนี้บนพื้นผิว \text{B} ด้วยอัตราเร็วคงตัวพบว่าต้องออกแรง 12 นิวตัน
จงหาสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ระหว่างวัตถุชิ้นนี้กับพื้นผิว \text{B}
- 0.45
- 0.30
- 0.15
- 0.60
- 0.90
วิธีทำ
วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แสดงว่าวัตถุมีแรงลัพธ์ที่ทำกับวัตถุเป็น 0 ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันข้อที่ 2 \Sigma F= 0
คิดที่พื้นวัตถุ A
(0.3)mg=8 เป็นสมการที่ 1
คิดที่พื้นวัตถุ B
\mu _{kB} mg = 12 เป็นสมการที่ 2
นำสมการที่ 1 หารด้วยสมการที่ 2
\frac{0.3}{\mu _{kB}}=\frac{8}{12} \mu _{kB}=\frac{12}{8} \times 0.3 = 0.45ตอบ ตัวเลือกที่ 1
เรียนเรื่องกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ม.5 ที่ต้องการปูพื้นฐานเรื่องกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน หรือเตรียมตัวสอบเรื่องนี้อย่างมีประสิทธิภาพ การเรียนกับ OnDemand ในคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : กฏของนิวตัน เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ด้วยเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับด้วยเทคนิค Supermap และ X-map พร้อมตะลุยโจทย์หลากหลายแนว
นอกจากนี้ สำหรับน้อง ๆ ที่ต้องการเตรียมตัวสอบเข้ามหาวิทยาลัย ทาง OnDemand มีคอร์ส V-Series Physics TCAS เล่ม 2 : กลุ่มกลศาสตร์ 2 ให้เลือกด้วยเช่นกัน ซึ่งน้อง ๆ จะได้เรียนเน้นเนื้อหาออกข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ บ่อย และตะลุยโจทย์สอบเข้ามหาวิทยาลัยเรื่องกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันแบบเข้มข้นในคอร์สนี้ เพื่อเตรียมพร้อมสอบแข่งขันได้อย่างมั่นใจมากขึ้น
สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
อ้างอิง
- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2563). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 เล่ม 1. พิมพ์ครั้งที่ 1. สกสค. ลาดพร้าว.
- Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9𝗍𝗁 ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (FAQs)
Q1: มวล (Mass) และ น้ำหนัก (Weight) แตกต่างกันอย่างไร?
A1: มวล ( m ) คือปริมาณเนื้อสารของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม ( \text{kg} ) และมีค่าคงที่เสมอไม่ว่าจะอยู่บนโลกหรืออวกาศ แต่น้ำหนัก ( W ) คือแรงโน้มถ่วงที่โลกดึงดูดวัตถุ หาได้จากสมการ W = mg มีหน่วยเป็นนิวตัน ( \text{N} ) น้ำหนักสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับค่าความเร่งโน้มถ่วง ( g ) ในบริเวณนั้น
Q2: ทำไมแรง Action และ Reaction ถึงหักล้างกันไม่ได้?
A2: เพราะแรงทั้งสองกระทำบนวัตถุคนละก้อนกัน เช่น \text{A} ผลัก \text{B} (แรงกระทำบน \text{B} ) และ \text{B} ผลัก \text{A} (แรงกระทำบน \text{A} ) เวลาเราใช้กฎข้อที่ 2 ของนิวตันเพื่อหาการเคลื่อนที่ของวัตถุใดวัตถุหนึ่ง เราจะรวมเฉพาะแรงที่กระทำกับวัตถุก้อนนั้นเท่านั้น จึงนำแรงกิริยากับปฏิกิริยามาบวกลบกันไม่ได้
Q3: ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แปลว่าไม่มีแรงกระทำต่อวัตถุเลยใช่หรือไม่?
A3: ไม่จำเป็นเสมอไป อาจจะมีแรงหลายแรงมากระทำกับวัตถุก็ได้ แต่ “แรงลัพธ์” หรือผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุนั้นหักล้างกันจนมีค่าเป็นศูนย์
