414-29 มณชนก

กฎของนวิ ตนั(Newton’s laws)

เซอร์ ไอแซค นิวตนั (Sir Isaac Newton) เป็นนกั คณติ ศาสตรช์ าวองั กฤษ ถอื กาเนดิ ในปี ค.ศ.1642 นิวตนั สนใจดาราศาสตร์ และประดษิ ฐก์ ลอ้ งโทรทรรศน์ชนดิ สะทอ้ นแสง (Reflecting telescope)ขน้ึ โดยใชโ้ ลหะเงาเวา้ ในการรวมแสงแทนการใชเ้ ลนส์เชน่ กลอ้ ง โทรทรรศน์ชนิดหกั เหแสง(Refractingtelescope)นวิ ตนั ตดิ ใจในปรศิ นาทว่ี า่แรงอะไรทาใหผ้ ลแอปเปิลตกสพู่ น้ื ดนิ และตรงึ ดวงจนั ทรไ์ วก้ บั โลกและสงิ่ น้เี องทน่ี าเขาไปสกู่ ารคน้ พบกฎทส่ี าคญั 3 ขอ้

กฎขอ้ ท่ี 1 กฎของความเฉ่ือย (Inertia)\"วตั ถุท่หี ยุดน่ิงจะพยายามหยุดน่ิงอยู่กบั ท่ี ตราบท่ีไม่มแี รงภายนอกมากระทา ส่วนวตั ถุทเ่ี คล่ือนท่จี ะเคล่อื นทเ่ี ป็นเสน้ ตรงดว้ ยความเรว็ คงท่ี ตราบทไ่ี ม่มีแรงภายนอกมากระทาเชน่ กนั “นิวตนั อธบิ ายว่า ในอวกาศไม่มอี ากาศ ดาวเคราะห์จงึ เคล่อื นท่โี ดยปราศจากความฝืด โดยมคี วามเรว็คงท่ี และมที ศิ ทางเป็นเสน้ ตรง เขาใหค้ วามคิดเหน็วา่ การทด่ี าวเคราะหโ์ คจรเป็นรปู วงรนี นั้ เป็นเพราะมีแรงภายนอกมากระทา (แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทติ ย์) นิวตนั ตงั้ ขอ้ สงั เกตว่า แรงโน้มถ่วงทท่ี าให้แอปเปิลตกสู่พ้นื ดนิ นัน้ เป็นแรงเดยี วกันกบั แรงท่ีตรงึ ดวงจนั ทร์ไวก้ บั โลก หากปราศจากซ่งึ แรงโน้มถ่วงของโลกแล้ว ดวงจันทร์ก็คงจะเคล่ือนท่ีเป็นเสน้ ตรงผา่ นโลกไป

กฎขอ้ ท่ี 2 กฎของแรง (Force)“ความเร่งของวตั ถุจะแปรผนั ตามแรงท่กี ระทาต่อวตั ถุ แต่จะแปรผกผนั กบั มวลของวตั ถุ”ในเร่อื งดาราศาสตร์ นิวตนั อธบิ ายว่า ดาวเคราะห์และดวงอาทติ ย์ต่างโคจรรอบกนั และกนั โดยมจี ุดศูนย์กลางร่วม แต่เน่ืองจากดวงอาทิตย์มีมวลมากกว่าดาวเคราะห์หลายแสนเท่า เราจงึ มองเหน็ว่า ดาวเคราะห์เคล่อื นทไ่ี ปดว้ ยความเร่งท่ีมากกว่าดวงอาทิตย์ และมีจุดศูนย์กลางร่วมอยู่ภายในตัวดวงอาทติ ย์เอง ดงั เช่น การหมุนลูกตุ้มดมั เบลสองขา้ งทม่ี มี วลไมเ่ ทา่ กนั

กฎขอ้ ท่ี 3 กฎของแรงปฏกิ ริ ยิ า (Action = Reaction)“แรงทว่ี ตั ถุทห่ี น่ึงกระทาต่อวตั ถุท่ีสอง ย่อมเท่ากบัแรงทว่ี ตั ถุทส่ี องกระทาต่อวตั ถุทห่ี น่ึง แต่ทศิ ทางตรงขา้ มกนั ”(Action = Reaction)หากเราออกแรงถบี ยานอวกาศในอวกาศ ทงั้ ตวั เราและยานอวกาศต่างเคล่อื นทอ่ี อกจากกนั (แรงกรยิ า= แรงปฏกิ ริ ยิ า) แตต่ วั เราจะเคล่อื นทด่ี ว้ ยความเรง่ ท่ีมากกวา่ ยานอวกาศ ทงั้ น้ีเน่ืองจากตวั เรามีมวลน้อยกวา่ ยานอวกาศ (กฎขอ้ ท่ี 2)

นวิ ตนั อธบิ ายการเคล่อื นทข่ี องดาว เคราะห์ ตามกฎของเคปเลอร์การค้นพบกฎทงั้ สามขอ้ น้ี นาไปสู่การคน้ พบ “กฎความโน้มถ่วงเอกภพ”(The Law ofUniversal) “วตั ถุสองชน้ิ ดงึ ดดู กนั ดว้ ยแรงซง่ึแปรผนั ตามมวลของวตั ถุ แต่แปรผกผนั กบั ระยะทางระหวา่ งวตั ถยุ กกาลงั สอง” ซง่ึ เขยี นเป็นสตู รไดว้ า่F = G (m1m2/r2)โดยท่ี F = แรงดงึ ดดู ระหวา่ งวตั ถุm1 = มวลของวตั ถชุ น้ิ ท่ี 1m2 = มวลของวตั ถุชน้ิ ท่ี 2r = ระยะหา่ งระหวา่ งวตั ถทุ งั้ 2 ชน้ิG = คา่ คงทข่ี องแรงโน้มถ่วง = 6.67 x 10-11newton m2/kg2

บางครงั้ เราเรียกกฎข้อน้ีง่ายๆ ว่า “กฎการแปรผกผนั ยกกาลงั สอง”(Inverse squarelaw) นิวตนั พบวา่ “ขนาดของแรง จะแปรผกผนักบั คา่ กาลงั สองของระยะหา่ งระหวา่ งวตั ถุ”ตวั อย่าง: เม่อื ระยะทางระหว่างวตั ถุเพมิ่ ข้ึน 2 เท่าแรงดงึ ดูดระหว่างวตั ถุจะลดลง 4 เท่า ดงั ท่แี สดงในภาพท่ี 6 เขาอธบิ ายวา่ การรว่ งหลน่ ของผลแอปเปิลก็เช่นเดียวกับการร่วงหล่นของดวงจันทร์ ณตาแหน่งบนพ้ืนผิวโลก สมมติว่าแรงโน้มถ่วงบนพน้ื ผวิ โลกมคี า่ = 1 ระยะทางจากโลกถงึ ดวงจนั ทรม์ ีค่า 60 เท่าของรัศมีโลก ดังนัน้ แรงโน้มถ่วง ณต า แ ห น่ ง ว ง โ ค จ ร ข อ ง ด ว ง จัน ท ร์ย่ อ ม มีค่ า ล ด ล ง= 602 = 3,600 เทา่

เคปเลอรค์ น้ พบกฎการเคล่อื นทข่ี องดาวเคราะห์ ซง่ึได้จากผลของการสงั เกตการณ์ในครสิ ต์ศตวรรษท่ี 16 นัน้เขาไม่สามารถอธบิ ายว่าเหตุใดจงึ เป็นเช่นนัน้ จวบจนอกีหน่ึงศตวรรษต่อมา นิวตนั ไดใ้ ชก้ ฎการแปรผกผนั ยกกาลงัสอง อธบิ ายเร่อื งการเคล่อื นทข่ี องดาวเคราะห์ ตามกฎทงั้สาม• ดาวเคราะหโ์ คจรรอบดวงอาทติ ยเ์ ป็นรปู วงรี เกย่ี วเน่ืองจากระยะทางและแรงโน้มถว่ งจากดวงอาทติ ย์• ในวงโคจรรปู วงรี ดาวเคราะหจ์ ะเคลอ่ื นทเ่ี รว็ ณ ตาแหน่งใกลด้ วงอาทติ ย์ และเคลอ่ื นทช่ี า้ ณ ตาแหน่งไกลจากดวงอาทติ ย์ เน่ืองจากอทิ ธพิ ลของระยะหา่ งระหวา่ งดวงอาทติ ย์• ดาวเคราะหด์ วงในเคลอ่ื นทไ่ี ดเ้ รว็ กวา่ ดาวเคราะหด์ วงนอก เป็นเพราะวา่ อยใู่ กลก้ บั ดวงอาทติ ยม์ ากกวา่ จงึ มแี รงโน้มถ่วงระหวา่ งกนั มากกวา่

ความเรว็ (Speed)คืออัตราการเปล่ียนแปลงของตาแหน่งต่อหน่ วยเวลา มหี น่วยเป็นเมตรตอ่ วนิ าที (m/s) ในหน่วยเอสไอ ความเรว็ เป็นปรมิ าณเวกเตอร์ซ่งึ ประกอบด้วยอัตราเร็วและทิศทาง ขนาดของความเร็วคืออัตราเร็วซ่ึงเป็นปริมาณสเกลาร์ ตัวอย่างเช่น\"5 เมตรต่อวนิ าท\"ี เป็นอตั ราเรว็ ในขณะท่ี \"5 เมตรต่อวินาทีไปทางทิศตะวันออก\" เป็ นความเร็วความเรว็ เฉลย่ี v ของวตั ถุทเ่ี คล่อื นทไ่ี ปดว้ ยการกระจดั ขนาดหน่งึ ในชว่ งเวลาหน่งึ

ความเรง่ (Acceleration)คอื อตั ราการเปลย่ี นแปลง (หรอื อนุพนั ธเ์ วลา) ของความเร็ว เป็ นปริมาณเวกเตอร์ท่ีมีหน่วยเป็ นความยาว/เวลา² ในหน่วยเอสไอกาหนดใหห้ น่วยเป็น เมตร/วนิ าท²ีเม่อื วตั ถุมคี วามเร่งในช่วงเวลาหน่ึง ความเรว็ ของมนั จะเปล่ียนแปลงไป ความเร่งอาจมคี ่าเป็นบวกหรือลบก็ได้ ซ่ึงเรามักว่าเรียกความเร่ง กับความหน่วง ตามลาดบั ความเร่งมนี ิยามว่า “อตั ราการเปลย่ี นแปลงความเรว็ ของวตั ถุในชว่ งเวลาหน่งึ ”

กฎของนิวตนั (Newton’s laws)ท่ีมา:http://portal.edu.chula.ac.th/lesa_cd/assets/document/lesa212/2/law_orbit/newton/newton.html น.ส.มณชนก ม.4/14 เลขท่ี 29