กฎของนิวตันคืออะไร

กฎการเคลื่อนที่ที่มีชื่อเสียงของนิวตันมีอยู่สามข้อ กฎเหล่านี้วางรากฐานสำหรับกลศาสตร์ของนิวตันซึ่งรู้จักกันในชื่อกลศาสตร์แบบดั้งเดิม กลศาสตร์ของนิวตันเป็นสาขาที่มุ่งเน้นไปที่ชุดของกฎหมายที่ควบคุมพฤติกรรมของวัตถุหลังจากกองกำลังกระทำการกับวัตถุนั้น

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

กฎหมายทั้งสามฉบับนี้มีการเขียนในรูปแบบที่แตกต่างกันมากมายในช่วงหลายศตวรรษที่ผ่านมาอย่างน้อยสามข้อ แต่สามารถแสดงได้อย่างย่อดังนี้

กฎข้อที่หนึ่งระบุว่าวัตถุนั้นยังคงอยู่หรือจะเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วคงที่เว้นแต่จะได้รับอิทธิพลจากแรงอื่น กฎหมายนี้อนุมานว่าวัตถุนั้นอยู่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย กรอบอ้างอิงเฉื่อยคือแรงที่กระทำต่อร่างกายไม่ว่าจะเป็นแบบคงที่หรือไม่เคลื่อนที่มีกำลังสุทธิเป็นศูนย์ เฟรมนี้หมายความว่าร่างนี้จะยังคงอยู่กับที่หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

กฎข้อที่สองยังถือว่าวัตถุอยู่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย กฎหมายระบุว่าเวกเตอร์รวมของแรง (แสดงโดย F) บนร่างกายเทียบเท่ากับผลคูณของมวล (แทนด้วย m) ของร่างกายนั้นและการเร่งความเร็ว (แทนด้วย a) ในทางคณิตศาสตร์นี่หมายความว่า: F = m * a ข้อสันนิษฐานอีกข้อที่ควรคำนึงถึงก็คือมวลจะไม่เปลี่ยนแปลง

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางมากขึ้น เมื่อเอนทิตีหนึ่งใช้แรง (F) บนวัตถุอื่นหน่วยที่สองจะผลักกลับด้วยแรงที่มีค่าเท่ากับ F กับทุกการกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม

ประวัติและภาพรวม

การเคลื่อนไหวของกฏหมายทั้งสามนั้นถูกนำมารวมกันโดยไม่มีใครอื่นนอกจากไอแซคนิวตันดังนั้นจึงเป็นชื่อกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน นิวตันแรกเขียนกฎการเคลื่อนไหวในปี 1687 ในการเปิดตัวของเขา หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ ( Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ในละติน)

Isaac Newton พยายามอธิบายว่าทำไมวัตถุถึงมีพฤติกรรมเหมือนที่ทำในขณะที่เคลื่อนไหวหรือทำไมพวกเขายังคงอยู่ในแบบที่พวกเขาทำนั่นคือในขณะที่ไม่เคลื่อนไหว ดังนั้นเขาจึงใช้กฎหมายร่วมกับกฎหมายอื่นของเขาเพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของระบบรวมทั้งวัตถุทางกายภาพ

สิ่งที่สำคัญอีกประการเกี่ยวกับกฎของนิวตันคือพวกมันสามารถใช้งานได้กับวัตถุที่ถือว่าเป็นจุดเดียว คำนี้หมายความว่าจะไม่สนใจรูปร่างและขนาดของวัตถุเพื่อให้สามารถทำการโฟกัสได้ มุมมองนี้สามารถใช้งานได้หากวัตถุมีขนาดเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับระยะทางที่เกี่ยวข้องขณะที่กำลังวิเคราะห์ วิธีนี้ช่วยให้วัตถุใด ๆ โดยไม่คำนึงถึงขนาดถูกกำหนดแนวคิดเป็นอนุภาคที่จะวิเคราะห์

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้กฎหมายทั้งสามนั้นไม่เพียงพอที่จะอธิบายพฤติกรรมการเคลื่อนไหวของวัตถุทั้งหมด ตัวอย่างเช่นเขาไม่สามารถอธิบายกฎของเคปเลอร์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์จนกระทั่งเขารวมกฎการเคลื่อนที่ของเขากับกฎอีกข้อหนึ่งที่เรียกว่ากฎความโน้มถ่วงสากล กฎหมายเหล่านี้ไม่สามารถใช้อธิบายการเคลื่อนไหวของร่างกายที่มีรูปร่างผิดปกติและแข็งทื่อได้ อันที่จริงแล้วในปี ค.ศ. 1750 ที่ Leonhard Euler ได้ออกกฎหมายการเคลื่อนไหวของนิวตันเพื่อที่พวกเขาจะสามารถนำไปใช้กับวัตถุที่แข็งและผิดรูปได้เช่นเดียวกับการต่อเนื่อง ในกฎของออยเลอร์ซึ่งสามารถได้มาจากกฎดั้งเดิมของนิวตันวัตถุจะถูกสันนิษฐานว่าเป็นกลุ่มของอนุภาคที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งแต่ละกฎนั้นอยู่ภายใต้กฎของนิวตัน อย่างไรก็ตามกฎของออยเลอร์สามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นสัจพจน์ที่อธิบายถึงกฎการเคลื่อนที่สำหรับหน่วยงานที่ขยายเพิ่มเติมโดยไม่ขึ้นกับโครงสร้างของอนุภาค

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้กฎของนิวตันใช้ได้กับชุดเฟรมเรียกว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อยซึ่งบางครั้งเรียกว่ากรอบอ้างอิงนิวตัน อย่างไรก็ตามมีการถกเถียงกันในหมู่นักวิชาการเกี่ยวกับกฎหมายที่หนึ่งและที่สอง โรงเรียนแห่งความคิดหนึ่งแย้งว่ากฎข้อแรกของนิวตันแสดงให้เห็นว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อยคืออะไรดังนั้นกฎข้อที่สองจึงเป็นจริงถ้าหากว่ามันถูกสังเกตจากกรอบเฉื่อยของมุมมองอ้างอิง เมื่อพิจารณาปัจจัยเหล่านี้ทั้งหมดแล้วมันเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดความพิเศษของกฎหมายทั้งสอง โรงเรียนแห่งความคิดอื่นระบุว่ากฎข้อที่หนึ่งเป็นผลมาจากกฎข้อที่สอง

อีกแง่มุมของกฎหมายเหล่านี้ที่ควรทราบก็คือสัมพัทธภาพพิเศษนั้นเกินกว่ากฎของนิวตัน นั่นไม่ได้หมายความว่าพวกเขาไร้ประโยชน์ กฎหมายมีความเหมาะสมสำหรับการประมาณพฤติกรรมของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่เมื่อความเร็วต่ำกว่าแสง

รายละเอียดสามกฎหมาย

กฎข้อที่หนึ่ง

กฎข้อแรกของนิวตันระบุว่าความเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่จะคงที่หากแรงสุทธิเป็นศูนย์ ในกรณีนี้แรงหมายถึงการรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่มีผลต่อร่างกายนั้น Velocity เป็นปริมาณเวกเตอร์เนื่องจากแสดงความเร็วของร่างกายรวมถึงทิศทางการเคลื่อนที่ นี่หมายความว่าความเร็วคงที่อธิบายทิศทางและความเร็วคงที่ของวัตถุ

ในการใส่ในรูปของสูตรทางคณิตศาสตร์มันจะกลายเป็น: ∑F = 0 ↔ d v / d t = 0 ในสูตร v แทนความเร็วขณะที่ t แทนเวลา สูตรพิสูจน์ได้ว่าวัตถุที่ไม่มีการเคลื่อนไหวจะยังคงอยู่ในลักษณะนั้นเว้นแต่จะได้รับผลกระทบจากแรงและวัตถุที่เคลื่อนไหวจะไม่เปลี่ยนความเร็วของวัตถุเว้นแต่ได้รับอิทธิพลจากแรง การเคลื่อนไหวประเภทนี้เรียกว่าการเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ วิธีที่ดีในการสาธิตสิ่งนี้คือผ่านการทดสอบผ้าปูโต๊ะ จานที่วางอยู่ด้านบนของผ้าปูโต๊ะจะยังคงเหมือนเดิมเมื่อเอาผ้าปูโต๊ะออกอย่างคล่องแคล่วและรวดเร็ว มันไม่ใช่กลอุบาย แต่เป็นกฎของนิวตันในทางปฏิบัติ แนวโน้มตามธรรมชาติของวัตถุที่เคลื่อนที่คือการคงอยู่เหมือนเดิม หากมีคนต้องการที่จะเปลี่ยนแปลงแนวโน้มนี้จะต้องมีการบังคับใช้กับวัตถุนั้น กฎหมายนี้ยังกำหนดกรอบอ้างอิงสำหรับอีกสองกฎหมาย

กฎหมายที่สอง

อีกวิธีหนึ่งในการระบุกฎข้อที่สองคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมของวัตถุที่สัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณของแรงที่ใช้ นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมนี้จะเกิดขึ้นในทิศทางเดียวกันกับแรงที่ใช้

ในทางคณิตศาสตร์มันสามารถแสดงเป็น F = d p / d t = d (m v ) / d t p เป็นผลคูณของมวล ( m ) และความเร็ว ( v ) ในขณะที่ t แทนเวลา สูตรเป็นวิธีหนึ่งในการแสดงสิ่งนี้ แต่ก็เป็นไปได้ที่จะแสดงมันในแง่ของการเร่งความเร็วของวัตถุ ในการระบุถึงกฏหมายสันนิษฐานว่ามวลคงที่ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องรวมไว้ในสูตรการสร้างความแตกต่าง ดังนั้นมันจะกลายเป็น: F = m (d v / d t ) เนื่องจากความเร็ว ( v ) หารด้วยเวลา ( t ) ให้ความเร่งตอนนี้สูตรจึงกลายเป็น F = m * a

มวลที่ได้รับหรือสูญหายโดยกิจการจะส่งผลต่อโมเมนตัมของวัตถุซึ่งจะไม่เป็นผลมาจากแรงภายนอกและจำเป็นต้องใช้สมการที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ที่ความเร็วสูงกว่าการคำนวณว่าผลิตภัณฑ์ของมวลของวัตถุที่เหลือและความเร็วของมันไม่ถูกต้อง

แรงกระตุ้น

Impulses ( J ) เกิดขึ้นเมื่อแรง ( F ) กระทำกับวัตถุในช่วงเวลา (Δt) เนื่องจากการแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของมันใกล้กว่าถ้อยคำของกฎข้อที่สองของนิวตันมาก แนวคิดของแรงกระตุ้นส่วนใหญ่จะใช้ในขณะที่วิเคราะห์การชน ในทางคณิตศาสตร์มันจะกลายเป็น: J = Δ p = m * Δ v

สำหรับระบบที่มีมวลแปรปรวนกล่าวว่าจรวดที่เผาไหม้เชื้อเพลิงไม่สามารถใช้กฎข้อที่สองได้เนื่องจากพวกมันเปิดอยู่ ด้วยเหตุนี้การทำให้มวลของมันเป็นหน้าที่ของเวลาจึงไม่ถูกต้อง

กฎข้อที่สามของนิวตัน

กฎการเคลื่อนที่ล่าสุดระบุว่ากองกำลังทั้งหมดที่มีอยู่ในร่างกายทั้งสองนั้นมีขนาดเท่ากันและอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม ตัวอย่างเช่นหากวัตถุ 1 ออกแรงแรงขนาดF₁ในอีกวัตถุหนึ่ง 2 กฎข้อที่สามของนิวตันระบุว่าวัตถุ 2 จะใช้แรงขนาด - F₁เช่นF₁ = - F₁ แรงรวมที่เกิดขึ้นเท่ากับศูนย์ นั่นคือF₁ + (- F₁) = 0

กฎหมายนี้แสดงให้เห็นว่ากองกำลังทั้งหมดที่สร้างขึ้นเป็นผลโดยตรงจากการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างหน่วยงานที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่ากองทัพไม่สามารถดำรงอยู่ได้หากปราศจากความเสมอภาคและตรงกันข้ามที่จะยกเลิกมัน ทิศทางและขนาดของกำลังอาจถูกกำหนดโดยหนึ่งในกองกำลัง ตัวอย่างเช่นวัตถุ 1 อาจเป็นแรงที่ใช้เรียกมันว่า "แรงกระทำ" ด้วยแรงจากวัตถุ 2 เรียกว่าแรง "ปฏิกิริยา" ชื่อทั้งสองนี้เป็นเหตุผลว่าทำไมกฎข้อที่สามบางครั้งเรียกว่ากฎหมาย“ การกระทำ - ปฏิกิริยา” อย่างไรก็ตามในบางครั้งมันเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบว่าหนึ่งในสองกองกำลังคือการกระทำและที่หนึ่งคือปฏิกิริยา มันเป็นไปไม่ได้ที่จะมีกองกำลังหนึ่งอยู่โดยปราศจากกองกำลังอื่น ตัวอย่างที่ใช้งานได้จริงคือเมื่อมีคนกำลังเดิน พวกเขาผลักดันต่อแผ่นดินและแผ่นดินผลักกลับ