กฎข้อที่ 1 ของนิวตัน

กฎขอ้ ท่ี 1 ของนิวตนั

กฎการเคล่อื นท่ขี องนิวตนัNewton’s laws of motionกฏการเคลอ่ื นท่ขี อ้ ท่ี 1 ของนิวตนั“วตั ถจุ ะรกั ษาสภาพการเคลอ่ื นทต่ี ราบเท่าทไ่ี มม่ แี รงลพั ธภ์ ายนอกทไ่ี มเ่ ป็นศูนยม์ ากระทา”“An object at rest stays at rest and an objectin motion stays in motion with the samespeed and in the same direction unlessacted upon by an unbalanced force”กลา่ วคอื หากวตั ถอุ ยู่น่งิ กจ็ ะอยู่น่งิ อย่างนนั้ ไปตลอด หรือหากวา่ วตั ถเุ คลอ่ื นท่ีดว้ ยความเรว็ คงทใ่ี นทศิ ทางใดทศิ ทางหน่งึ วตั ถกุ จ็ ะเคลอ่ื นท่อี ย่างนนั้ ไปตลอดนนั้ คือวตั ถนุ นั้ ไมอ่ ยากทจ่ี ะเปลย่ี นแปลงสภาพการเคลอ่ื นท่ขี องตวั มนั เองหรอื เฉือ่ ย ต่อการเปลย่ี นแปลงทจ่ี ะเกดิ ข้นึ ตราบเท่าทไ่ี มม่ แี รงลพั ธภ์ ายนอกท่ีไมเ่ ป็นศูนยม์ าบงั คบั วา่ ตอ้ งเปลย่ี นสภาพการเคลอ่ื นท่ี กฏการเคลอ่ื นทข่ี อ้ แรกน้เี ป็นทร่ี ูจ้ กั กนั ในอกี ช่อื วา่ กฏของความเฉ่ือย (Law of inertia)นน้ั เองคาอธบิ ายขา้ งตน้ ดูเหมอื นไมม่ อี ะไรตรงไปตรงมาเขา้ ใจไดง้ า่ ย แต่ในความเป็นจรงิ แลว้ นนั้ สามารถนาไปสูค่ วามเขา้ ใจผดิ ไดอ้ ย่างงา่ ยดายดงั ท่จี ะกลา่ วต่อไปน้ีพจิ ารณาตวั อย่างดงั ต่อไปน้ี วตั ถมุ วล m วางน่งิ อยู่กบั พ้นื หอ้ งดงั รูปท่ี 1.1

วตั ถกุ จ็ ะอยู่น่งิ อย่างนนั้ ตราบเท่าทเ่ี ราไมไ่ ปขยบั มนั หากเราพจิ ารณาแรงท่ีกระทากบั วตั ถมุ วล m เราจะพบวา่ มอี ยู่ดว้ ยกนั 2 แรง นนั้ แรงทพ่ี ้นื กระทากบั วตั ถแุ ละแรงเน่อื งแรงโนม้ ถ่วงของโลก ซง่ึ ทง้ั สองมที ศิ ตรงกนั ขา้ มกนั ตามแนวดง่ิ ดงั รูป• ดงั นน้ั เราอาจจะสรุปไดว้ า่ เน่อื งจากวตั ถอุ ยู่น่ิง ขนาดของแรงข้นึ ตอ้ งเท่ากบั ขนาดของแรงลง N=mg หรือ N-mg=0 ดงั นนั้ หลายคนจึง สรุปว่า ใจความของกฏการเคลอื่ นขอ้ ทีห่ น่ึงนนั้ สามารถถอดออกมาเป็น สมการ ผลรวมของแรงลพั ธภ์ ายนอกเป็นศนู ย์• ขอ้ พึงระวงั การสรุปจากตวั อย่างขา้ งตน้ นนั้ ไม่เป็นจริง กฏขอ้ น้ีไม่ไดบ้ ่ง บอกถงึ ผลรวมของแรงลพั ธภ์ ายนอกเป็นศูนยแ์ ต่อย่างใด ดงั นั้นหากถาม เก่ยี วกบั ใจความของกฏขอ้ ทห่ี น่งึ เราไมค่ วรตอบวา่ ผลรวมของแรงภายนอก เป็นศูนยเ์ ป็นอนั ขาดเพราะหากเมอ่ื ไรเราสรุปอย่างน้ี จะทาใหเ้ ราไดว้ า่ กฏขอ้ ท่ี 1 นนั้ เป็นกรณีพเิ ศษของกฏขอ้ ท่ี 2 ซ่งึ ผดิ อย่างอย่างมหนั ต์ แต่ใน ความเป็นจรงิ นน้ั กฏสองขอ้ น้ไี มข่ ้นึ ต่อกนั เลย• เพอ่ื ใหป้ ระเดน็ ตรงน้เี หน็ ภาพมากข้นึ จงึ ขอยกตวั อย่างดงั ต่อไปน้ี พจิ ารณา วตั ถมุ วล m อยู่น่งิ ในอวกาศอนั ปราศจากแรงโนม้ ถ่วงดงั รูปท่ี 1.3

แน่นอนกรณีน้ไี มม่ แี รงใดๆกระทากบั วตั ถเุ ลย แต่วตั ถนุ นั้ อยู่น่ิงไดโ้ ดยไม่ตอ้ งไปอา้ งถงึ ผลรวมของแรงลพั ธภ์ ายนอกเป็นศูนย์ ดงั นน้ั ขอ้ สรุปจากตวั อย่างท่ีแลว้ เก่ยี วกบั กฏขอ้ ท่ี 1 ไมเ่ ป็นจรงิ เสมอไปหากเราพจิ ารณากรณีทว่ี ตั ถมุ วล m เคลอ่ื นท่ใี นอวกาศอนั ว่างเปล่าดงั รูปท่ี4 วตั ถกุ ็จะยงั คงเคลอ่ื นทด่ี ว้ ยความเรว็ คงทใ่ี นทศิ ทางใดทศิ ทางหน่ึงอย่างนน้ัไปตลอด ซ่งึ เราก็จะเหน็ ไดว้ ่าระหว่างท่วี ตั ถเุ คลอ่ื นท่นี ั้นไม่มแี รงอะไรกระทาอยู่เลย ดงั นน้ั อความผลรวมของแรงลพั ธภ์ ายนอกเป็นศูนยก์ ็ไม่เป็นจริงอีกสาหรบั กรณีน้ี

ความจริงอนั สาคญั ท่ีซอ้ นอยู่ภายใตก้ ฏการเคล่อื นท่ีขอ้ ท่ี 1 ของนิวตนั นนั้เก่ยี วขอ้ งกบั นิยามของ กรอบอา้ งองิ เฉ่ือย ซง่ึ จะไดก้ ลา่ วในโอกาศต่อไปเกรด็ ประวตั ศิ าสตร์อนั ท่จี ริงนิวตนั ไม่ไดเ้ ป็นคนแรกท่ใี หน้ ิยามกฏการเคล่อื นท่ีขอ้ ท่ี 1 หากแต่ไดร้ บั แนวคิดมาจากคนรุ่นก่อน คนแรกท่ีเร่ิมอธิบายธรรมชาติของการเคล่ือนท่ีของวตั ถุน่าจะเป็น อลิสโตเติล หรือเราอาจจะเรียกว่า กฏการเคลอ่ื นทข่ี องอลสิ โตเตลิ กไ็ ด้ โดยมใี จความวา่“โดยธรรมชาติแลว้ วตั ถเุ ลอื กท่จี ะอยู่ในสภาวะหยุดน่ิง หากเราไม่พลกั วตั ถกุ ็จะไมเ่ คลอ่ื นท”่ี“The natural state for an object is to be atrest. If you don’t push on an object, it willstop moving”

โดยปรกติแลว้ จากประสบการณ์ในชีวติ ประจาวนั เราพบว่าหากเราทาการดดีวตั ถใุ หเ้ คลอ่ื นท่ไี ปตามพ้นื หอ้ ง วตั ถนุ นั้ จะหยุดน่ิงในท่ีสุดนน้ั เน่ืองจากการมีอยู่ของแรงเสียดทานระหว่างผวิ วตั ถุและพ้นื หอ้ ง ตามรูปท่ี 1.5 ดงั นน้ั แรงเสยี ดทานจงึ เป็นสง่ิ ทท่ี าใหส้ ภาพการเคลอ่ื นทข่ี องนนั้ เปลย่ี นไปนน้ั เองการปฏิวตั ิท่ีย่ิงใหญ่การทาความเขา้ ใจเก่ียวกบั การเคล่ือนท่ีของวตั ถุต่างรอบตัวเราน้ันน่าจะมาจาก โคเพอนิคัส กับแนวคิดท่ีว่าโลกไม่ไดเ้ ป็นศูนยก์ ลางของจกั รวาล หากแต่โลกนน้ั หมนุ รอบดวงอาทติ ย์ ซ่งึ ต่อมา กาลเิ ลโอก็รบั แนวความคิดเก่ียวกบั โลกหมุนรอบดวงอาทิตยแ์ ลว้ ทาการพัฒนาแนวความคิดต่อเพ่อื อธิบายว่าทาไมโลกถึงหมนุ วนรอบดวงอาทิตย์ไม่รูจ้ บดงั นน้ั เพอ่ื อธบิ ายปรากฏการณข์ า้ งตน้ เขาจงึ นิยามความเฉ่ือยซง่ึ เป็นสง่ิ ทท่ี าให้วตั ถเุ คลอ่ื นทไ่ี ดอ้ ย่างทม่ี นั เคลอ่ื นทก่ี ่อนหนา้ นนั้ ไปตลอด

กาลเิ ลโอไดท้ าการทดลองเพอ่ื ทดสอบสมมตุ ฐิ านดงั ต่อไปน้ี เขาไดท้ าลูกหนิ มา วางไวพ้ ้นื เอยี งดงั รูปดว้ ยความสูงค่าหน่ึง จากนน้ั ทาการปล่อยลูกหนิ จะวง่ิ ไป อกี ฝงั่ แลว้ ข้นึ ไปหยุดทร่ี ะยะสูงเท่ากบั ในตอนตน้ หากไม่มแี รงเสยี ดทานดงั รูป กาลเิ อโอปรบั การทดลองในรูปท่ี 6 โดยการทท่ี าใหพ้ ้นื เอยี งดา้ นหน่ึงนนั้ เอยี ง นอ้ ยลง ซ่งึ จะเหน็ ไดว้ ่าวตั ถจุ ะเคลอ่ื นท่ไี ปตามแนวพ้นื เอยี งไดม้ ากข้นึ เพอ่ื ให้ ไดค้ วามสูงเท่ากบั ตอนเรม่ิ ตน้ ดงั รูปท่ี 1.7กาลเิ ลโอจงึ ตงั้ คาถามว่าหากว่าพ้นื เอยี งนนั้ ทางดา้ นขวาเปลย่ี นเป็นพ้นื ราบจะเกิดอะไรข้นึ สาหรบั กรณีน้วี ตั ถไุ ม่มคี วามจาเป็นทจ่ี ะตอ้ งกลบั ไปทค่ี วามสูงเร่มิ ตน้ มนัจงึ เคลอ่ื นทอ่ี ย่างนน้ั ไปตลอด ดงั รูปท่ี 1.8 ซ่งึ การทว่ี ตั ถเุ คลอ่ื นทต่ี ามแนวราบเร่อื ยๆนนั้ แสดงใหเ้หน็ ถงึ ความเฉ่ือยต่อการ เปลย่ี นแปลงสภาพการเคลอ่ื นทน่ี น้ั เอง

ผูจ้ ดั ทา•นายเตชนิ ท์ ผอ่ งมณี เลขท2่ี 4 ม.4/14•นายโสภนฐั กจิ สริ ริ ่งุ เรอื ง เลขท3่ี 1 ม.4/14•นายอคั รวนิ ท์ อไุ รรตั น์ เลขท3่ี 2 ม.4/14