กฎข้อแรกของนิวตัน: สูตรการทดลองและแบบฝึกหัด - กายภาพ - 2026

กฎข้อแรกของนิวตันยังเป็นที่รู้จักกฎหมายของความเฉื่อยแรกที่เสนอโดย Isaac Newton ฟิสิกส์คณิตศาสตร์ปรัชญานักบวชประดิษฐ์ภาษาอังกฤษและนักเล่นแร่แปรธาตุ กฎนี้ระบุไว้ดังต่อไปนี้: "ถ้าวัตถุไม่ได้ถูกบังคับใด ๆ หรือถ้าแรงที่กระทำต่อมันยกเลิกซึ่งกันและกันมันจะเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วคงที่เป็นเส้นตรง"

ในคำสั่งนี้คำหลักจะดำเนินต่อไป หากสถานที่ของกฎหมายบรรลุผลแล้ววัตถุจะยังคงเคลื่อนไหวต่อไปเหมือนเดิม เว้นแต่แรงที่ไม่สมดุลจะปรากฏขึ้นและเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่

คำอธิบายกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน ที่มา: self made.

ซึ่งหมายความว่าถ้าวัตถุหยุดนิ่งมันจะหยุดนิ่งต่อไปยกเว้นว่ามีแรงดึงออกจากสถานะนั้น นอกจากนี้ยังหมายความว่าหากวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางตรงวัตถุจะเคลื่อนที่ไปในทางนั้นต่อไป มันจะเปลี่ยนก็ต่อเมื่อตัวแทนภายนอกบางตัวออกแรงกับมันและเปลี่ยนความเร็ว

ความเป็นมาของกฎหมาย

Isaac Newton เกิดที่ Woolsthorpe Manor (สหราชอาณาจักร) เมื่อวันที่ 4 มกราคม ค.ศ. 1643 และเสียชีวิตในลอนดอนในปี พ.ศ. 2270

วันที่ที่แน่นอนที่เซอร์ไอแซกนิวตันค้นพบกฎของพลวัตทั้งสามรวมถึงกฎข้อแรกนั้นไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นเวลานานก่อนที่จะมีการตีพิมพ์หนังสือ Mathematical Principles of Natural Philosophy ที่มีชื่อเสียงในวันที่ 5 กรกฎาคม ค.ศ. 1687

พจนานุกรมของ Royal Spanish Academy ให้คำจำกัดความของคำว่าเฉื่อยไว้ดังนี้

"ทรัพย์สินของร่างกายเพื่อรักษาสภาพของการพักผ่อนหรือการเคลื่อนไหวหากไม่ใช่โดยการกระทำของกำลัง"

คำนี้ยังใช้เพื่อยืนยันว่าสถานการณ์ใด ๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากไม่มีความพยายามใด ๆ ในการบรรลุเป้าหมายดังนั้นบางครั้งคำว่าเฉื่อยจึงมีความหมายแฝงของกิจวัตรประจำวันหรือความเกียจคร้าน

มุมมองก่อนนิวตัน

ก่อนหน้านิวตันความคิดที่โดดเด่นคือความคิดของอริสโตเติลนักปรัชญาชาวกรีกผู้ยิ่งใหญ่ซึ่งยืนยันว่าเพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ต้องมีแรงกระทำต่อสิ่งนั้น เมื่อแรงหยุดการเคลื่อนไหวก็จะเป็นเช่นนั้น ไม่เป็นเช่นนั้น แต่ในปัจจุบันหลายคนก็คิดเช่นนั้น

กาลิเลโอกาลิเลอีนักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีผู้ปราดเปรื่องซึ่งมีชีวิตอยู่ระหว่างปี ค.ศ. 1564 ถึง ค.ศ. 1642 ได้ทำการทดลองและวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของร่างกาย

ข้อสังเกตประการหนึ่งของกาลิเลโอคือร่างกายที่ไถลไปบนพื้นผิวเรียบและขัดเงาด้วยแรงกระตุ้นเริ่มต้นบางอย่างใช้เวลานานกว่าจะหยุดและมีการเดินทางเป็นเส้นตรงมากขึ้นเนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างร่างกายกับพื้นผิวน้อยลง

เห็นได้ชัดว่ากาลิเลโอจัดการกับแนวคิดเรื่องความเฉื่อย แต่เขาไม่ได้กำหนดคำพูดที่แม่นยำเท่านิวตัน

ด้านล่างนี้เราเสนอการทดลองง่ายๆซึ่งผู้อ่านสามารถดำเนินการและยืนยันผลลัพธ์ได้ การสังเกตจะถูกวิเคราะห์ตามมุมมองการเคลื่อนที่ของอริสโตเติลและมุมมองแบบนิวตัน

การทดลองความเฉื่อย

การทดลอง 1

กล่องถูกขับเคลื่อนลงบนพื้นจากนั้นแรงขับเคลื่อนจะถูกระงับ เราสังเกตว่ากล่องเดินทางเป็นเส้นทางสั้น ๆ จนกว่าจะหยุด

ให้เราตีความการทดลองก่อนหน้านี้และผลลัพธ์ของมันในกรอบของทฤษฎีก่อนนิวตันแล้วตามกฎข้อแรก

ในวิสัยทัศน์ของอริสโตเติลคำอธิบายชัดเจนมาก: กล่องหยุดลงเพราะแรงที่เคลื่อนย้ายถูกระงับ

ในการมองเห็นแบบนิวตันกล่องบนพื้น / พื้นไม่สามารถเคลื่อนที่ต่อไปได้ด้วยความเร็วที่มีในขณะที่แรงถูกระงับเนื่องจากระหว่างพื้นและกล่องมีแรงที่ไม่สมดุลซึ่งทำให้ความเร็วลดลงจน กล่องหยุด มันคือแรงเสียดทาน

ในการทดลองนี้สถานที่ของกฎข้อแรกของนิวตันไม่เป็นจริงกล่องจึงหยุดลง

การทดลองที่ 2

อีกครั้งเป็นกล่องที่พื้น / พื้น ในโอกาสนี้แรงบนกล่องจะถูกคงไว้ในลักษณะที่จะชดเชยหรือปรับสมดุลของแรงเสียดทาน สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อเราได้กล่องตามด้วยความเร็วคงที่และในทิศทางตรง

การทดลองนี้ไม่ได้ขัดแย้งกับมุมมองการเคลื่อนที่ของอริสโตเติล: กล่องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เนื่องจากมีการออกแรงกระทำกับมัน

นอกจากนี้ยังไม่ขัดแย้งกับแนวทางของนิวตันเนื่องจากแรงทั้งหมดที่กระทำต่อกล่องนั้นสมดุลกัน มาดูกัน:

• ในแนวนอนแรงที่กระทำกับกล่องจะเท่ากันและในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงเสียดทานระหว่างกล่องกับพื้น
• ดังนั้นแรงสุทธิในแนวนอนจึงเป็นศูนย์นั่นคือสาเหตุที่กล่องรักษาความเร็วและทิศทาง

นอกจากนี้ในแนวตั้งแรงจะสมดุลเนื่องจากน้ำหนักของกล่องซึ่งเป็นแรงที่ชี้ลงในแนวตั้งจะถูกชดเชยด้วยแรงสัมผัส (หรือปกติ) ที่พื้นกระทำต่อกล่องในแนวตั้งขึ้นไป

อย่างไรก็ตามน้ำหนักของกล่องเกิดจากแรงดึงดูดของโลก

การทดลอง 3

เราดำเนินการต่อด้วยกล่องที่วางอยู่บนพื้น ในแนวตั้งแรงจะสมดุลนั่นคือแรงในแนวตั้งสุทธิเป็นศูนย์ คงเป็นเรื่องที่น่าแปลกใจมากหากกล่องเลื่อนขึ้น แต่ในแนวนอนจะมีแรงเสียดทาน

ตอนนี้เพื่อให้สมมติฐานของกฎข้อแรกของนิวตันบรรลุผลเราจำเป็นต้องลดแรงเสียดทานให้เหลือน้อยที่สุด สิ่งนี้สามารถทำได้โดยประมาณหากเรามองหาพื้นผิวที่เรียบมากที่เราพ่นน้ำมันซิลิโคน

เนื่องจากน้ำมันซิลิโคนช่วยลดแรงเสียดทานจนเกือบเป็นศูนย์ดังนั้นเมื่อโยนกล่องนี้ในแนวนอนกล่องนี้จะคงความเร็วและทิศทางไว้เป็นเวลานาน

เป็นปรากฏการณ์เดียวกันกับที่เกิดขึ้นกับนักเล่นสเก็ตบนลานน้ำแข็งหรือกับเด็กซนฮ็อกกี้น้ำแข็งเมื่อพวกมันถูกขับเคลื่อนและปล่อยออกมาเอง

ในสถานการณ์ที่อธิบายไว้ซึ่งแรงเสียดทานลดลงจนเกือบเป็นศูนย์แรงที่เกิดขึ้นจะเป็นศูนย์ในทางปฏิบัติและวัตถุจะคงความเร็วไว้ตามกฎข้อแรกของนิวตัน

ในมุมมองของอริสโตเติลสิ่งนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากตามทฤษฎีไร้เดียงสานี้การเคลื่อนที่จะเกิดขึ้นเมื่อมีแรงสุทธิบนวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่เท่านั้น

พื้นผิวที่แข็งตัวถือได้ว่ามีแรงเสียดทานต่ำมาก ที่มา: Pixabay

คำอธิบายกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

ความเฉื่อยและมวล

มวลคือปริมาณทางกายภาพที่ระบุปริมาณของสสารที่ร่างกายหรือวัตถุประกอบด้วย

มวลจึงเป็นสมบัติที่แท้จริงของสสาร แต่สสารประกอบด้วยอะตอมซึ่งมีมวล มวลของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส มันคือโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสที่กำหนดมวลของอะตอมและสสาร

โดยทั่วไปวัดมวลเป็นกิโลกรัม (กก.) เป็นหน่วยพื้นฐานของระบบหน่วยสากล (SI)

ต้นแบบหรือการอ้างอิงของ kg คือกระบอกสูบทองคำขาวและอิริเดียมที่เก็บรักษาไว้ในสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศในเมืองSèvresในฝรั่งเศสแม้ว่าในปี 2018 จะมีการเชื่อมโยงกับค่าคงที่พลังค์และคำจำกัดความใหม่จะมีผลบังคับใช้เมื่อ 20 พฤษภาคม 2019

มันเกิดขึ้นที่ความเฉื่อยกับมวลสัมพันธ์กัน ยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใดความเฉื่อยของวัตถุก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น มันยากกว่าหรือเสียค่าใช้จ่ายในแง่ของพลังงานมากในการเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีมวลมากกว่าวัตถุที่มีมวลน้อยกว่า

ตัวอย่าง

ตัวอย่างเช่นต้องใช้แรงมากขึ้นและต้องทำงานมากขึ้นในการยกกล่องหนึ่งตัน (1,000 กิโลกรัม) จากส่วนที่เหลือมากกว่ากล่องหนึ่งกิโลกรัม (1 กิโลกรัม) นั่นคือเหตุผลที่มักกล่าวว่าครั้งแรกมีความเฉื่อยมากกว่าครั้งที่สอง

เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างความเฉื่อยและมวลนิวตันจึงตระหนักว่าความเร็วเพียงอย่างเดียวไม่ได้เป็นตัวแทนของสถานะการเคลื่อนที่ นั่นคือเหตุผลที่เขากำหนดปริมาณที่เรียกว่าโมเมนตัมหรือโมเมนตัมที่แสดงด้วยตัวอักษรpและเป็นผลคูณของมวล m และความเร็วv :

p = m v

ตัวหนาในpและvแสดงว่าเป็นปริมาณทางกายภาพเวกเตอร์นั่นคือเป็นปริมาณที่มีขนาดทิศทางและความรู้สึก

ในทางกลับกันมวล m เป็นปริมาณสเกลาร์ซึ่งมีการกำหนดตัวเลขที่สามารถมากกว่าหรือเท่ากับศูนย์ แต่ไม่เป็นลบ จนถึงขณะนี้ไม่พบวัตถุที่มีมวลลบในเอกภพที่รู้จัก

นิวตันใช้จินตนาการและสิ่งที่เป็นนามธรรมของเขาอย่างสุดขั้วเพื่อกำหนดสิ่งที่เรียกว่าอนุภาคอิสระ อนุภาคคือจุดวัสดุ นั่นคือมันเป็นเหมือนจุดทางคณิตศาสตร์ แต่มีมวล:

อนุภาคอิสระคืออนุภาคที่แยกได้มากจนห่างไกลจากวัตถุอื่นในจักรวาลจนไม่มีสิ่งใดสามารถโต้ตอบหรือบังคับกับมันได้

ต่อมานิวตันได้กำหนดระบบอ้างอิงเฉื่อยซึ่งจะเป็นระบบที่ใช้กฎการเคลื่อนที่สามข้อของเขา นี่คือคำจำกัดความตามแนวคิดเหล่านี้:

ระบบอ้างอิงเฉื่อย

ระบบพิกัดใด ๆ ที่ติดอยู่กับอนุภาคอิสระหรือที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เทียบกับอนุภาคอิสระจะเป็นระบบอ้างอิงเฉื่อย

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน (กฎแห่งความเฉื่อย)

ถ้าอนุภาคเป็นอิสระแสดงว่ามีโมเมนตัมคงที่เมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิงเฉื่อย

กฎข้อแรกและโมเมนตัมของนิวตัน ที่มา: self made.

แบบฝึกหัดที่แก้ไข

แบบฝึกหัด 1

ลูกฮ็อกกี้ 160 กรัมขึ้นลานน้ำแข็งที่ความเร็ว 3 กม. / ชม. ค้นหาโมเมนตัมของมัน

สารละลาย

มวลของดิสก์เป็นกิโลกรัม: m = 0.160 kg

ความเร็วเป็นเมตรต่อวินาที: v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

ปริมาณการเคลื่อนที่หรือโมเมนตัม p คำนวณได้ดังนี้: p = m * v = 0.1333 kg * m / s,

แบบฝึกหัด 2

แรงเสียดทานในแผ่นดิสก์ด้านหน้าถือเป็นศูนย์ดังนั้นโมเมนตัมจึงถูกรักษาไว้ตราบเท่าที่ไม่มีสิ่งใดเปลี่ยนแปลงเส้นทางตรงของแผ่นดิสก์ อย่างไรก็ตามเป็นที่ทราบกันดีว่าแรงสองแรงกระทำกับแผ่นดิสก์: น้ำหนักของแผ่นดิสก์และหน้าสัมผัสหรือแรงปกติที่พื้นกระทำต่อแผ่นดิสก์

คำนวณค่าของแรงปกติในหน่วยนิวตันและทิศทาง

สารละลาย

เนื่องจากโมเมนตัมได้รับการอนุรักษ์ไว้ผลที่เกิดขึ้นกับลูกฮ็อกกี้จะต้องเป็นศูนย์ น้ำหนักชี้ลงในแนวตั้งและใช้ได้: P = m * g = 0.16 kg * 9.81 m / s²

แรงปกติจะต้องต่อต้านน้ำหนักดังนั้นจึงต้องชี้ขึ้นในแนวตั้งและขนาดของมันจะเท่ากับ 1.57 N

บทความที่น่าสนใจ

ตัวอย่างกฎของนิวตันในชีวิตจริง

อ้างอิง

1. Alonso M. , Finn E. ปริมาณฟิสิกส์ I: กลศาสตร์. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. แนวคิดวิทยาศาสตร์กายภาพ. พิมพ์ครั้งที่ห้า. เพียร์สัน 67-74.
3. หนุ่มฮิวจ์ ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่ 14 เอ็ดเพียร์สัน 105-107.