สรุป ฟิสิกส์ เรื่อง กฎนิวตัน อะไร พร้อมข้อสอบ

สรุปเรื่อง กฎนิวตัน คืออะไร

กฎนิวตัน มีที่มาจาก เซอร์ ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ที่มีความสนใจเรื่องดาราศาสตร์ และประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ชนิดสะท้อนแสง (Reflecting telescope) ขึ้นโดยใช้โลหะเงาเว้าในการรวมแสง แทนการใช้เลนส์ เช่น ในกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสง (Refracting telescope) นิวตันติดใจในปริศนาที่ว่า แรงอะไรทำให้ผลแอปเปิลตกสู่พื้นดินและตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก และสิ่งนี้เองที่ทำให้เขาค้นพบกฎที่สำคัญ 3 ข้อ คือ

กฎข้อที่ 1 : ΣF = 0 หรือ กฎของความเฉื่อย 

“วัตถุจะรักษาสภาพหยุดนิ่ง หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดิมก็ต่อเมื่อ แรงลัพธ์ที่มากระทำ ต่อวัตถุมีค่าเท่ากับศูนย์”

อธิบายได้ว่า “วัตถุจะรักษาสภาวะอยู่นิ่งหรือสภาวะเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง นอกจากมีแรงลัพธ์ซึ่งมีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ” คือ ถ้าวัตถุอยู่นิ่งก็ยังคงอยู่นิ่งเหมือนเดิม และถ้าวัตถุเกิดการเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ความเร็วคงที่ หรือความเร่งจะเป็นศูนย์ ซึ่งกรณีแรกจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลสถิต (static equilibrium) และอีกกรณีหลังจะเรียกว่า วัตถุอยู่ในสภาวะสมดุลจลน์ (kinetic equilibrium) มีสมการ คือ ∑F=0 โดย F คือ แรงลัพธ์ทั้งหมดที่กระทำกับวัตถุ

กฎข้อที่ 2 : ΣF = ma หรือ กฎของความเร่ง

“เมื่อมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำกับวัตถุ วัตถุจะมีความเร่งในทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์นั้น”

อธิบายได้ว่า “ความเร่งของอนุภาคเป็นปฏิภาคโดยตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำต่ออนุภาค โดยมีทิศทางเดียวกันและเป็นปฏิภาคผกผันกับมวลของอนุภาค” ดังนั้น อัตราส่วนของแรงกับความเร่งจะเป็นค่าคงที่ ซึ่งตรงกับมวลของวัตถุ เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า ∑F = ma

โดย

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”

กฎข้อที่ 3 : แรงกิริยา = แรงปฏิกิริยา

“แรงกิริยา-แรงปฏิกิริยาเป็นแรงที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม และกระทำกับวัตถุคนละชนิด” (Action = Reaction)

กฎการเคลื่อนที่ข้อ 3 ของนิวตัน กล่าวว่า“ทุกแรงกิริยา (action) ย่อมมีแรงปฏิกิริยา (reaction) ซึ่งมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงข้ามกันเสมอ” กฎข้อนี้เรียกว่า กฎของกิริยาและปฏิกิริยา (Law of action and reaction) แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา หมายถึง แรงกระทำและแรงกระทำตอบ โดยเป็นแรงซึ่งกระทำต่อมวลที่ต่างกันและเกิดขึ้นพร้อมกันเป็นคู่เสมอ โดยที่มวลอาจไม่สัมผัสกันและถือว่าแรงหนึ่งแรงใดเป็นแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาก็ได้เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้ FA = -FR

ตัวอย่างข้อสอบ

1. มวล 1.0 กิโลกรัมสองก้อน ผูกติดกับเชือกเบาและแขวนติดกับเพดานของลิฟต์ดังรูป ถ้าลิฟต์เคลื่อนที่ลงด้วยความเร่ง 2 m/s2 จงหาแรงตึงในเส้นเชือก T1 และ T2

2. จากรูป กล่อง A และ B มีมวล 20 และ 10 กิโลกรัม ดึงวัตถุ A ด้วยแรงขนาน 200 นิวตัน ถ้าสัมประสิทธิ์ของความเสียดทานระหว่าง A กับพื้นและกล่อง A กับกล่อง B เป็น 0.4 และ 0.2 ตามลำดับ จงหาความเร่งของกล่อง A

3. ข้อใดต่อไปนี้กล่าวไม่ถูกต้อง

ก. มวลมีค่าคงตัว ส่วนน้ำหนักมีค่าเปลี่ยนไปตามค่า g
ข. แรงเป็นปริมาณที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่
ค. ถ้ามีแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุเคลื่อนที่ วัตถุจะเคลื่อนที่ไปตามทิศของแรงลัพธ์เสมอ
ง. กรณีแขวนวัตถุด้วยเชือก แรงตึงเชือกจะเป็นแรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยากับน้ำหนักของวัตถุ

4.ปริมาณในทางฟิสิกส์ที่บอกให้ทราบว่าวัตถุจะมีความเฉื่อยมากหรือความเฉื่อยน้อยคือปริมาณอะไร

ก. ความเร่ง
ข. มวล
ค. น้ำหนัก
ง. แรง

5.ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ วัตถุจะมีสภาพการเคลื่อนที่ตามข้อใด

ก. หยุดนิ่ง
ข. เคลื่อนที่ด้วยความเร็วลดลง
ค. เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว
ง. ข้อ ก หรือ ค