414-29 มณชนก

กฎของนิวตนั(Newton’s laws)

เซอร์ ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ถือกาเนิดใน ปี ค.ศ.1642นิวตันสนใจดาราศาสตร์ และประดิษฐ์กล้อง โทรทรรศน์ชนิดสะท้อนแสง (Reflecting telescope)ข้ึนโดยใช้โลหะเงาเว้าในการรวมแสงแทนการใช้เลนส์เช่นกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสงนิวตันติดใจในปริศนาที่ว่าแรงอะไรทาให้ผลแอปเปิลตกสู่พื้นดินและตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก และสิ่งนี้เองทีน่ าเขาไปสู่การค้นพบกฎท่สี าคญั 3 ขอ้

กฎข้อที่ 1 กฎของความเฉื่อย (Inertia)\"วัตถุท่ีหยุดน่ิงจะพยายามหยุดนิ่งอยู่กับท่ี ตราบท่ีไม่มีแรงภายนอกมากระทา ส่วนวัตถุที่เคลื่อนที่จะเคลื่อนท่ีเป็นเส้นตรงดว้ ยความเร็วคงที่ ตราบท่ีไมม่ ีแรงภายนอกมากระทาเช่นกัน“นิวตันอธิบายว่า ในอวกาศไม่มีอากาศ ดาวเคราะห์จึงเคลื่อนที่โดยปราศจากความฝืด โดยมีความเร็วคงที่ และมีทิศทางเป็นเส้นตรง เขาให้ความคิดเห็นว่า การท่ีดาวเคราะห์โคจรเป็นรูปวงรีนั้น เป็นเพราะมีแรงภายนอกมากระทา (แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์) นิวตันตั้งข้อสังเกตว่า แรงโน้มถ่วงท่ีทาให้แอปเปิลตกสู่พื้นดินน้ัน เป็นแรงเดียวกันกับ แรงท่ีตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก หากปราศจากซ่ึงแรงโน้มถ่วงของโลกแล้ว ดวงจันทรก์ ค็ งจะเคลื่อนทเ่ี ปน็ เส้นตรงผา่ นโลกไป

กฎขอ้ ที่ 2 กฎของแรง (Force)“ความเร่งของวัตถุจะแปรผันตามแรงท่ีกระทาต่อวัตถุ แต่จะแปรผกผันกบั มวลของวตั ถ”ุในเรื่องดาราศาสตร์ นิวตันอธิบายว่า ดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์ต่างโคจรรอบกันและกัน โดยมีจุดศูนย์กลางร่วม แต่เนื่องจากดวงอาทิตย์มีมวลมากกว่าดาวเคราะห์หลายแสนเท่า เราจึงมองเห็นว่า ดาวเคราะห์เคลื่อนท่ีไปด้วยความเร่งท่ีมากกว่าดวงอาทิตย์ และมีจุดศูนย์กลางร่วมอยู่ภายในตัวดวงอาทติ ย์เอง ดังเชน่ การหมุนลูกตุ้มดัมเบลสองข้างท่ีมมี วลไมเ่ ท่ากัน

กฎข้อที่ 3 กฎของแรงปฏิกิรยิ า (Action = Reaction)“แรงท่วี ัตถุทหี่ น่ึงกระทาต่อวัตถุทสี่ อง ย่อมเท่ากบั แรงทวี่ ัตถุที่สองกระทาต่อวัตถุที่หน่ึง แต่ทิศทางตรงข้ามกัน ”(Action = Reaction)หากเราออกแรงถีบยานอวกาศในอวกาศ ท้ังตัวเราและยานอวกาศต่างเคลื่อนที่ออกจากกัน (แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา)แต่ตัวเราจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่มากกว่ายานอวกาศทัง้ นี้เนื่องจากตัวเรามมี วลนอ้ ยกวา่ ยานอวกาศ (กฎขอ้ ท่ี 2)

นิวตนั อธบิ ายการเคลื่อนท่ีของดาวเคราะห์ ตามกฎของเคปเลอร์การค้นพบกฎทั้งสามข้อน้ี นาไปสู่การค้นพบ “กฎความโน้มถ่วงเอกภพ”(The Law of Universal) “วตั ถุสองชน้ิ ดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหวา่ งวัตถุยกกาลงั สอง” ซึง่ เขียนเปน็ สูตรไดว้ า่F = G (m1m2/r2)โดยที่ F = แรงดึงดูดระหว่างวัตถุm1 = มวลของวัตถุชิน้ ท่ี 1m2 = มวลของวัตถชุ ้นิ ที่ 2r = ระยะหา่ งระหวา่ งวัตถุท้งั 2 ชน้ิG = คา่ คงทขี่ องแรงโน้มถ่วง = 6.67 x 10-11 newtonm2/kg2

บางครั้งเราเรียกกฎข้อน้ีง่ายๆ ว่า “กฎการแปรผกผันยกกาลังสอง”(Inverse square law) นิวตนั พบว่า “ขนาดของแรง จะแปรผกผันกับ ค่ากาลังสองของระยะห่างระหว่างวตั ถ”ุตัวอย่าง: เมื่อระยะทางระหว่างวัตถุเพิ่มขึ้น 2 เท่า แรงดึงดูดระหว่างวัตถจุ ะลดลง 4 เทา่ ดังท่ีแสดงในภาพท่ี 6 เขาอธิบายว่า การร่วงหล่นของผลแอปเปิล ก็เช่นเดียวกับการร่วงหล่นของดวงจันทร์ ณ ตาแหน่งบนพื้นผิวโลก สมมติว่าแรงโน้มถ่วงบนพื้นผิวโลกมีค่า = 1 ระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์มีค่า 60 เท่าของรัศมีโลก ดังนั้นแรงโน้มถ่วง ณ ตาแหน่งวงโคจรของดวงจันทร์ยอ่ มมคี า่ ลดลง = 602 = 3,600 เทา่

เคปเลอร์ค้นพบกฎการเคลื่อนท่ีของดาวเคราะห์ ซ่ึงได้จากผลของการสังเกตการณ์ในคริสต์ศตวรรษที่ 16 น้ัน เขาไม่สามารถอธิบายว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นน้ัน จวบจนอีกหน่ึงศตวรรษต่อมา นิวตันได้ใช้กฎการแปรผกผันยกกาลังสองอธบิ ายเรื่องการเคลื่อนทข่ี องดาวเคราะห์ ตามกฎทั้งสาม• ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตยเ์ ปน็ รูปวงรี เกีย่ วเนือ่ งจากระยะทางและแรงโนม้ ถว่ งจากดวงอาทติ ย์• ในวงโคจรรูปวงรี ดาวเคราะห์จะเคลือ่ นทีเ่ ร็ว ณ ตาแหนง่ใกลด้ วงอาทิตย์ และเคลือ่ นทช่ี ้า ณ ตาแหน่งไกลจากดวงอาทติ ย์ เนือ่ งจากอิทธพิ ลของระยะหา่ งระหวา่ งดวงอาทติ ย์• ดาวเคราะห์ดวงในเคลือ่ นท่ีไดเ้ ร็วกวา่ ดาวเคราะห์ดวงนอกเป็นเพราะว่าอยูใ่ กล้กบั ดวงอาทติ ย์มากกว่า จงึ มีแรงโน้มถ่วงระหว่างกันมากกวา่

ความเรว็ (Speed)คืออัตราการเปล่ียนแปลงของตาแหน่งต่อหนว่ ยเวลา มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s) ในหน่วยเอสไอ ความเร็วเป็นปริมาณเวกเตอร์ซ่ึงประกอบด้วยอัตราเร็วและทิศทาง ขนาดของความเร็วคืออัตราเร็วซ่ึงเปน็ ปริมาณสเกลาร์ ตวั อย่างเช่น\"5 เมตรต่อวนิ าที\" เป็นอัตราเรว็ ในขณะที่ \"5 เมตรต่อวินาทีไปทางทิศตะวนั ออก\" เป็นความเร็ว ความเร็วเฉลี่ย v ของวัตถุท่ีเคลื่อนที่ไปด้วยการกระจัดขนาดหน่ึง ในช่วงเวลาหน่งึ

ความเร่ง (Acceleration)คือ อัตราการเปลี่ยนแปลง (หรืออนุพันธ์เวลา) ของความเร็ว เป็นปริมาณเวกเตอร์ที่มีหน่วยเป็น ความยาว/เวลา² ในหน่วยเอสไอกาหนดใหห้ น่วยเปน็ เมตร/วินาทีเมื่อวัตถุมีความเร่งในช่วงเวลาหน่ึง ความเร็วของมันจะเปลี่ยนแปลงไปความเร่งอาจมีค่าเป็นบวกหรือลบก็ได้ ซึ่งเรามักว่าเรียกความเร่ง กับความหน่วง ตามลาดบั ความเร่งมีนิยามว่า “อัตราการเปลีย่ นแปลงความเร็วของวัตถใุ นช่วงเวลาหนึ่ง”

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