ตอนที่ 28 : Classical Mechanics

  • เนื้อหานิยายตอนนี้เปิดให้อ่าน
  • View : 8
    จำนวนคนให้กำลังใจ : 1 ครั้ง
    7 ส.ค. 58

กลศาสตร์ดั้งเดิมหรือกลศาสตร์คลาสสิก 

               อธิบายถึงการเคลื่อนที่ของวัตถุตั้งแต่วัตถุบนโลกถึงวัตถุทางดาราศาสตร์ กลศาสตร์สามารถบอกผลลัพธ์ได้อย่างแม่นยำและเป็นหนึ่งในวิชาที่เก่าแก่ที่สุดในวิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

               กลศาสตร์ดั้งเดิมหรือกลศาสตร์คลาสสิก (Classical Mechanics) ได้รับการพัฒนาโดยนักคิด นักทดลอง นักประดิษฐ์ และนักวิทยาศาสตร์หลายๆท่าน หลักของคานงัดและโมเมนต์ (Moment) เป็นที่รู้และประยุกต์ใช้กันอย่างแพร่หลายมานานนับพันปี ตั้งแต่สมัยของอาร์คีมีดิส (Archimedes) หลักของแรงและการผ่อนแรงเป็นสิ่งที่รู้และเข้าใจเป็นอย่างดีตั้งแต่สมัยอียิปต์โบราณ ซึ่งถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างปิรามิดอันยิ่งใหญ่ อย่างไรก็ดี จุดที่นับเป็นจุดเริ่มต้นอย่างเป็นทางการของกลศาสตร์คลาสสิกคือเมื่อ ไอแซก นิวตัน นักปรัชญาธรรมชาติ (Natural Philosopher) ชาวอังกฤษ ประกาศกฎการเคลื่อนที่สามข้อในปีคริสต์ศักราช 1687 เป็นผลงานอันลือเลื่อง ในหนังสือ พรินสิเปีย(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) นิวตันประสบความสำเร็จในการบรรยายการเคลื่อนที่ของทั้งดวงดาว (celestial motion)และของวัตถุบนผิวโลก (terrestrial motion) ได้อย่างแม่นยำอย่างไม่เคยมีมาก่อน โดยการเสนอ กฎแห่งความโน้มถ่วงสากล(universal law of gravitation) นิวตันได้พัฒนาคณิตศาสตร์สาขาแคลคูลัส (Calculus)เพื่อใช้ในการคำนวณการเคลื่อนที่ของดวงดาวอันซับซ้อน นิวตันสามารถแสดงให้เห็นว่า กฎกำลังสองผกผัน (Inverse square law)แห่งความโน้มถ่วงของเขา กำหนดให้ทางโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงกลม วงรี พาราโบลาและไฮเปอร์โบลา ดาวเคราะห์ส่วนใหญ่มีวงโคจรเป็นวงรี ดาวเคราะห์น้อยและดาวหางมีทั้งที่โคจรเป็นวงรี พาราโบลาและไฮเปอร์โบลา โดยการสังเกตและเก็บข้อมูลของวัตถุบนฟากฟ้า เราสามารถใช้กฎของนิวตันทำนายวงโคจรในอดีตและอนาคตของวัตถุเหล่านั้นได้อย่างแม่นยำ

               กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s laws of motion)
               เป็นรากฐานกฎกติกาพื้นฐานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุภายใต้แรงที่กระทำ (กฎว่าด้วยการเคลื่อนที่3 ข้อของนิวตัน) และทฤษฎีความโน้มถ่วงที่อธิบายว่าแรงซึ่งดึงดูดให้ผลแอปเปิลจากต้นตกสู่พื้น เป็นแรงชนิดเดียวกับที่ควบคุมการโคจรรอบโลกของดวงจันทร์ นิวตันได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุและได้เสนอกฎการเคลื่อนที่สามข้อ กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อได้นำเสนออยู่ในหนังสือ Principia กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s laws of motion) สำหรับวัตถุ เป็นกฎกายภาพ(physical laws) ซึ่งเป็นกฎที่เกี่ยวกับพฤติกรรมของสสารที่เป็นจริงอยู่เสมออย่างไม่เปลี่ยนแปลง โดยเราไม่สามารถจะควบคุม ดัดแปลง หรือแก้ไขกฎแห่งความจริงได้[

               กฎการเคลื่อนที่ข้อ 1 ของนิวตัน (Newton’s first law of motion) หรือกฎของความเฉื่อย กล่าวว่า“วัตถุจะรักษาสภาวะอยู่นิ่งหรือสภาวะเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง นอกจากมีแรงลัพธ์ซึ่งมีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ”[6]คือ ถ้าวัตถุอยู่นิ่งก็ยังคงอยู่นิ่งเหมือนเดิม และถ้าวัตถุเกิดการเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ความเร็วคงที่ หรือความเร่งจะเป็นศูนย์ ซึ่งกรณีแรกจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลสถิต (static equilibrium) และอีกกรณีหลังจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลจลน์ (kinetic equilibrium) [7]มีสมการเป็นดังนี้ ∑F=0 Fคือ แรงลัพธ์ทั้งมดที่กระทำกับวัตถุ


     กฎการเคลื่อนที่ข้อ 2 ของนิวตัน (Newton’s second law of motion) บางทีเรียกว่า กฎความเร่ง กล่าวว่า“ความเร่งของอนุภาคเป็นปฏิภาคโดยตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำต่ออนุภาค โดยมีทิศทางเดียวกันและเป็นปฏิภาคผกผันกับมวลของอนุภาค” [8]ดังนั้น อัตราส่วนของแรงกับความเร่งจะเป็นค่าคงที่ ซึ่งตรงกับมวลของวัตถุ เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้ ∑F = ma
F คือ แรงลัพธ์ที่กระทำกับวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)
m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
a คือ ความเร่งมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2 (m/s2)

ถ้าแรงลัพธ์ (F) กระทำกับวัตถุอันหนึ่ง จะทำให้วัตถุมีความเร่ง (a) ในทิศทางเดียวกันกับทิศทางของแรง ซึ่งแรงลัพธ์ (F) ที่กระทำกับวัตถุ จะเท่ากับผลคูณระหว่างมวล (m) และความเร่ง (a) ของวัตถุ จะสรุปได้ว่า “แรงลัพธ์คงที่ที่กระทำกับวัตถุ ซึ่งมีมวลคงที่ วัตถุนั้นจะมีความเร่งคงที่ในทิศทางของแรงที่กระทำนั้น”[9]


\vec{F} = m\vec{a}  


               กฎการเคลื่อนที่ข้อ 3 ของนิวตัน (Newton’s third law of motion) กล่าวว่า“ทุกแรงกิริยา (action) ย่อมมีแรงปฏิกิริยา (reation) ซึ่งมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงข้ามกันเสมอ”[10]กฎข้อนี้เรียกว่า กฎของกิริยาและปฏิกิริยา (Law of action and reaction) แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา หมายถึง แรงกระทำและแรงกระทำตอบ โดยเป็นแรงซึ่งกระทำต่อมวลที่ต่างกันและเกิดขึ้นพร้อมกันเป็นคู่เสมอ โดยที่มวลอาจไม่สัมผัสกันและถือว่าแรงหนึ่งแรงใดเป็นแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาก็ได้[11] เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้ FA = -FR


Domain of validity for Classical Mechanics
ขอบเขตของกฎกลศาสตร์คลาสสิก
ให้กำลังใจนักเขียน
นักเขียนได้รับกำลังใจแล้ว!
นักเขียนได้รับกำลังใจแล้ว 1 ครั้ง

20 ความคิดเห็น

  1. #6 am-m-minus (@am-m-minus) (จากตอนที่ 28)
    วันที่ 6 สิงหาคม 2558 / 21:33
    นี่มันฟามรู้จากวิชาวิทยาศาสตร์แขนงไหนเนี่ย เรียนมายังจำไม่ได้เลย ...หลงลืมไปหมด 5555+
    #6
    2
    • #6-1 Louis Forest (@koothecool) (จากตอนที่ 28)
      7 สิงหาคม 2558 / 05:08
      ฟิสิกส์ครับแหม่ หลักๆก็นิวตั้นที่เป็นเจ้าของตำนานแอ๊ปเปิ้ลตกใส่หัวแล้วคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงไง นอกจากนั้นเค้าก็เด่นเรื่องดาราศาสตร์ด้วยไงครับ (ไม่ใช่ข่าวซุบซิบดารานะ เรื่องดาวกับอวกาศ -\\\-)
      #6-1
    • #6-2 am-m-minus (@am-m-minus) (จากตอนที่ 28)
      7 สิงหาคม 2558 / 10:18
      555+ เหมาๆไปค่ะ วิทยาศาสตร์ พอดีไม่ได้ตั้งใจเรียน อิอิ
      #6-2