กฎนิวตัน

แรงลัพธ์เป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนความเร็ว ไม่ใช่แรงใดแรงหนึ่งแยกเดี่ยว ถ้าแรงลัพธ์เป็นศูนย์ วัตถุอาจหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวก็ได้; เมื่อมีแรงลัพธ์ ความเร่งจะชี้ไปตามแรงลัพธ์และมีขนาดแปรตามแรงแต่แปรผกผันกับมวล

พื้นฐานที่ใช้: บวก/แยกเวกเตอร์บนแกนที่ตั้งฉากกัน อ่านทิศตะวันออก/ขวาเป็นบวกได้ และเข้าใจว่าความเร่งคืออัตราการเปลี่ยนความเร็ว ไม่ใช่ความเร็ว

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. กฎข้อที่หนึ่ง: แรงลัพธ์ศูนย์หมายถึงความเร็วคงตัว

  • พฤติกรรมของวัตถุเมื่อไม่มีแรงลัพธ์ภายนอกมากระทำ (ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย):
  • สภาพการเคลื่อนที่เมื่อ ∑F⃗=0\sum \vec{F} = 0:
    • ความเร็วคงตัว: ความเร็วของวัตถุจะไม่เปลี่ยนแปลง หากวัตถุอยู่นิ่งจะอยู่นิ่งต่อไป หากกำลังเคลื่อนที่จะเคลื่อนที่ต่อไปเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่
    • ความหมายของคำว่า "สมดุล": สภาพสมดุลหมายถึงความเร่งเป็นศูนย์ (a⃗=0\vec{a} = 0) ไม่ได้บังคับว่าความเร็วต้องเป็นศูนย์ (v⃗=0\vec{v} = 0)
    • ข้อสังเกตสำคัญ: การที่วัตถุยังคงเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ไม่ได้แปลว่าต้องมีแรงลัพธ์ผลักไปข้างหน้าตลอดเวลา

2. กฎข้อที่สอง: รวมแรงทุกแรงก่อนหา ความเร่ง

  • ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างแรงลัพธ์ มวล และความเร่ง:
  • สมการเวกเตอร์และการแยกแกน:
    • สมการหลัก: ∑F⃗=ma⃗\sum \vec{F} = m\vec{a} โดยมวล mm มีหน่วย kg\mathrm{kg}, ความเร่ง a⃗\vec{a} มีหน่วย m/s2\mathrm{m/s^2}, และแรงลัพธ์มีหน่วยนิวตัน (1 N=1 kg⋅m/s21\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg\cdot m/s^2})
    • การคิดแยกแกน: ในระบบพิกัดฉากจะแยกคิดอิสระต่อกันเป็น ∑Fx=max\sum F_x = ma_x และ ∑Fy=may\sum F_y = ma_y
  • ขั้นตอนการแก้ปัญหา:
    • รวมแรงลัพธ์ก่อน: ต้องรวมแรงจริงทั้งหมดที่กระทำบนวัตถุ (ทั้งขนาดและทิศทาง) เป็นแรงลัพธ์ก่อน แล้วจึงนำไปคำนวณหาความเร่ง
    • ข้อห้าม: ห้ามนำแรงเพียงแรงเดียวไปเทียบเท่า mama โดยยังไม่ได้หักล้างกับแรงเสียดทานหรือแรงอื่นในแกนเดียวกัน

3. กฎข้อที่สาม: แรงกิริยา–ปฏิกิริยาอยู่คนละวัตถุ

  • ลักษณะเฉพาะของแรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา (Action-Reaction pair):
  • สมบัติของแรงคู่กิริยา-ปฏิกิริยา:
    • ความสัมพันธ์เชิงเวกเตอร์: เมื่อวัตถุ A ออกแรงกระทำต่อวัตถุ B วัตถุ B จะออกแรงกระทำต่อวัตถุ A ทันทีด้วยขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามเสมอ: F⃗A→B=−F⃗B→A\vec{F}_{A\to B} = -\vec{F}_{B\to A}
    • ชนิดของแรงและตำแหน่งที่เกิด: เป็นแรงประเภทเดียวกัน เกิดขึ้นพร้อมกันเสมอ และกระทำต่อ วัตถุคนละชิ้น
    • การไม่หักล้างกัน: เนื่องจากแรงคู่นี้กระทำบนวัตถุคนละชิ้น จึงไม่มีทางหักล้างกันในแผนภาพวัตถุอิสระ (FBD) ของวัตถุชิ้นเดียว
  • ผลต่อความเร่ง:
    • หากมวลของวัตถุทั้งสองก้อนไม่เท่ากัน แม้ขนาดแรงคู่กิริยาจะเท่ากัน แต่ความเร่งที่เกิดขึ้นกับแต่ละก้อนจะไม่เท่ากันตามความสัมพันธ์ a=F/ma = F/m
นักสเกต A อยู่ซ้าย B อยู่ขวาและผลักมือชนกัน ลูกศรแรงจาก B บน A ชี้ซ้ายและจาก A บน B ชี้ขวา; แรงมีขนาดเท่ากันแต่กระทำคนละวัตถุ
นักสเกต A และ B ผลักกัน: แรงบน A ชี้ซ้ายและแรงบน B ชี้ขวา มีขนาดเท่ากันแต่กระทำคนละคน
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • ภาพรวมและสาระสำคัญ: นักสเกต A อยู่ทางซ้าย และ B อยู่ทางขวา เมื่อผลักมือชนกัน แรงจาก B กระทำบน A ชี้ไปทางซ้าย และแรงจาก A กระทำบน B ชี้ไปทางขวา
    • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: คน A, คน B, แรงกระทำบน A: F⃗B→A\vec{F}_{B\to A}, แรงกระทำบน B: F⃗A→B\vec{F}_{A\to B}, ขนาดแรงเท่ากันแต่กระทำคนละคน
    • ข้อจำกัดและการนำไปใช้: แรงคู่นี้เกิดขึ้นพร้อมกันและมีขนาดเท่ากันเสมอ แต่ถ้ามวลของทั้งสองคนต่างกัน ความเร่งที่แต่ละคนได้รับอาจไม่เท่ากันตามกฎข้อที่สอง

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

โจทย์ให้แรงหลายแรงกระทำต่อชิ้นเดียว

สังเกตจากโจทย์: มีแรงดึง/ผลัก แรงเสียดทาน หรือน้ำหนักพร้อมมวลและถามความเร่งหรือสภาพการเคลื่อนที่

เลือกวิธีคิด: กำหนดแกน วาดแรงที่กระทำบนวัตถุชิ้นนั้น รวมแรงแบบมีเครื่องหมาย แล้วใช้ ∑F=ma\sum F=ma; อย่าใช้แรงใดแรงหนึ่งแทนแรงลัพธ์

โจทย์ให้แรงระหว่างวัตถุสองชิ้น

สังเกตจากโจทย์: คนผลักกำแพง รถชนกัน หรือวัตถุ A ดึง/ผลัก B และถามว่าแรงคู่เท่ากันไหม

เลือกวิธีคิด: ระบุวัตถุที่แรงแต่ละแรงกระทำก่อนจับคู่ด้วยกฎข้อสาม; เทียบขนาดแรงได้ แต่การหา a ต้องหารด้วยมวลของวัตถุเป้าหมายแต่ละชิ้น

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · รถเข็นถูกดึงและมีแรงต้าน

รถเข็นมวล 4.0 kg4.0\,\mathrm{kg} อยู่บนพื้นราบ มีแรงดึงไปทางตะวันออก 22 N22\,\mathrm N และแรงเสียดทาน 10 N10\,\mathrm N ไปทางตะวันตก จงหาความเร่ง. สมมติแรงแนวดิ่งสมดุล

  1. กำหนดแกนตะวันออกเป็นบวก และเลือกเฉพาะรถเข็นเป็นวัตถุที่ศึกษา
  2. ∑Fx=+22−10=+12 N\sum F_x=+22-10=+12\,\mathrm N; เครื่องหมายบวกแปลว่าแรงลัพธ์ชี้ตะวันออก
  3. ax=∑Fx/m=12/4.0=+3.0 m/s2a_x=\sum F_x/m=12/4.0=+3.0\,\mathrm{m/s^2}

คำตอบ: ความเร่ง 3.0 m/s23.0\,\mathrm{m/s^2} ไปทางตะวันออก

ตรวจเหตุผล: หน่วย N/kg=m/s2\mathrm{N/kg}=\mathrm{m/s^2}; ถ้าเอาแรงสองแรงมาบวกขนาดจะได้ทิศและขนาดผิด

ตัวอย่าง 2 · แรงคู่เท่ากัน แต่ความเร่งไม่เท่ากัน

นักสเกต A มวล 50 kg50\,\mathrm{kg} และ B มวล 40 kg40\,\mathrm{kg} ผลักกันบนพื้นน้ำแข็งที่แรงเสียดทานละเลยได้. ระหว่างผลัก B ออกแรง 80 N80\,\mathrm N ไปทางซ้ายบน A. หาแรงที่ A กระทำต่อ B และความเร่งของแต่ละคน

  1. แรงจาก A บน B เป็นคู่ปฏิสัมพันธ์กับแรงจาก B บน A จึงมีขนาดเท่ากันและทิศตรงข้าม
  2. A ถูกแรง 80 N80\,\mathrm N ไปซ้าย จึงมี aA=80/50=1.6 m/s2a_A=80/50=1.6\,\mathrm{m/s^2} ไปซ้าย
  3. B ถูกแรง 80 N80\,\mathrm N ไปขวา จึงมี aB=80/40=2.0 m/s2a_B=80/40=2.0\,\mathrm{m/s^2} ไปขวา

คำตอบ: A ออกแรง 80 N80\,\mathrm N ไปทางขวาบน B; aA=1.6 m/s2a_A=1.6\,\mathrm{m/s^2} ซ้าย และ aB=2.0 m/s2a_B=2.0\,\mathrm{m/s^2} ขวา

ตรวจเหตุผล: แรงปฏิสัมพันธ์มีขนาดเท่ากัน แต่ความเร่งต่างกันเพราะมวลไม่เท่ากัน; แรงสองแรงไม่ได้กระทำบนวัตถุเดียวกัน