กฎข้อที่สามของนิวตัน: การใช้งานการทดลองและแบบฝึกหัด - กายภาพ - 2026

กฎข้อที่สามของนิวตันที่เรียกว่าการกระทำและปฏิกิริยากฎหมายระบุว่าเมื่อมีแรงออกแรงวัตถุบนอีกออกแรงยังหลังในวันแรกแรงขนาดเท่ากันและทิศทางและ ทิศทางที่ตรงข้าม

ไอแซกนิวตันทำให้กฎสามข้อของเขาเป็นที่รู้จักในปี 1686 ในหนังสือของเขา Philosophiae Naturalis Principia Mathematica หรือหลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ

จรวดอวกาศได้รับแรงขับเคลื่อนที่จำเป็นเนื่องจากก๊าซที่ถูกขับออกมา ที่มา: Pixabay

คำอธิบายและสูตร

การกำหนดทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่สามของนิวตันนั้นง่ายมาก:

F ₁₂ = - F ₂₁

หนึ่งในกองกำลังเรียกว่าการกระทำและอีกอย่างหนึ่งคือปฏิกิริยา อย่างไรก็ตามจำเป็นต้องเน้นความสำคัญของรายละเอียดนี้: ทั้งสองกระทำกับวัตถุที่แตกต่างกัน พวกเขายังทำไปพร้อม ๆ กันแม้ว่าคำศัพท์นี้จะชี้ให้เห็นอย่างไม่ถูกต้องว่าการกระทำเกิดขึ้นก่อนและปฏิกิริยาหลัง

เนื่องจากกองกำลังเป็นเวกเตอร์จึงแสดงเป็นตัวหนา สมการนี้บ่งชี้ว่าเรามีวัตถุสองชิ้นคือวัตถุ 1 และวัตถุ 2 แรงF ₁₂คือวัตถุที่กระทำโดยวัตถุ 1 ต่อวัตถุ 2 แรงF ₂₁กระทำโดยวัตถุ 2 ต่อวัตถุ 1 และ เครื่องหมาย (-) แสดงว่าอยู่ตรงข้ามกัน

จากการสังเกตกฎข้อที่สามของนิวตันอย่างถี่ถ้วนจะพบความแตกต่างที่สำคัญกับสองข้อแรก: ในขณะที่พวกมันเรียกวัตถุชิ้นเดียวกฎข้อที่สามหมายถึงวัตถุสองชิ้นที่แตกต่างกัน

และถ้าคุณคิดอย่างรอบคอบการโต้ตอบต้องมีคู่ของวัตถุ

นั่นคือเหตุผลที่แรงกระทำและปฏิกิริยาไม่ยกเลิกซึ่งกันและกันหรือมีความสมดุลแม้ว่าจะมีขนาดและทิศทางเดียวกัน แต่ทิศทางตรงกันข้าม: ใช้กับร่างกายที่แตกต่างกัน

การประยุกต์ใช้งาน

ปฏิสัมพันธ์กับพื้นสนาม

นี่คือการประยุกต์ใช้ปฏิสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่สามของนิวตันในชีวิตประจำวัน: ลูกบอลที่ตกลงมาในแนวตั้งและโลก ลูกบอลตกลงพื้นเนื่องจากโลกออกแรงดึงดูดซึ่งเรียกว่าแรงโน้มถ่วง พลังนี้เป็นสาเหตุที่ทำให้ลูกไปตกอยู่กับอัตราเร่งคงที่ 9.8 เมตร / วินาที2

อย่างไรก็ตามแทบไม่มีใครคิดเกี่ยวกับความจริงที่ว่าลูกบอลยังมีพลังที่น่าดึงดูดบนโลก แน่นอนว่าโลกยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากมวลของมันมากกว่าลูกบอลมากดังนั้นจึงมีความเร่งเล็กน้อย

อีกประเด็นที่น่าสังเกตเกี่ยวกับกฎข้อที่สามของนิวตันคือไม่จำเป็นต้องสัมผัสระหว่างวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กัน เห็นได้ชัดจากตัวอย่างที่อ้างถึง: ลูกบอลยังไม่ได้สัมผัสกับโลก แต่ยังคงมีแรงดึงดูด และลูกบอลบนโลกด้วย

แรงเช่นแรงโน้มถ่วงซึ่งทำหน้าที่ไม่ชัดเจนว่ามีการสัมผัสระหว่างวัตถุหรือไม่เรียกว่า "แรงกระทำในระยะไกล" ในทางกลับกันแรงเช่นแรงเสียดทานและปกติต้องการให้วัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์สัมผัสกันจึงเรียกว่า "แรงสัมผัส"

สูตรที่นำมาจากตัวอย่าง

การกลับไปที่ลูกบอล - วัตถุคู่โลกโดยเลือกดัชนี P สำหรับลูกบอลและ T สำหรับโลกและใช้กฎข้อที่สองของนิวตันกับผู้เข้าร่วมแต่ละคนในระบบนี้เราได้รับ:

_{ผลลัพธ์}F = m ถึง

กฎหมายข้อที่สามระบุว่า:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9.8 m / s ²ชี้ลงในแนวตั้ง เนื่องจากการเคลื่อนที่นี้เกิดขึ้นตามแนวตั้งจึงสามารถจ่ายสัญกรณ์เวกเตอร์ (ตัวหนา) ด้วย; และการเลือกทิศทางขึ้นเป็นบวกและลงเป็นลบเรามี:

a _P = 9.8 ม. / วินาที²

ม_T ≈ 6 x 10 ²⁴กก

โดยไม่คำนึงถึงมวลของลูกบอลความเร่งของโลกเป็นศูนย์ นั่นคือเหตุผลที่สังเกตได้ว่าลูกบอลตกลงสู่พื้นโลกไม่ใช่ทางอื่น

การทำงานของจรวด

จรวดเป็นตัวอย่างที่ดีในการนำกฎข้อที่สามของนิวตันไปใช้ จรวดที่แสดงในภาพในตอนเริ่มต้นขึ้นเนื่องจากการขับเคลื่อนของก๊าซร้อนด้วยความเร็วสูง

หลายคนเชื่อว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากก๊าซเหล่านี้ "ยัน" บนชั้นบรรยากาศหรือพื้นดินเพื่อรองรับและขับเคลื่อนจรวด มันไม่ได้ผลเช่นนั้น

เช่นเดียวกับที่จรวดใช้แรงกระทำต่อก๊าซและขับไล่พวกมันไปข้างหลังก๊าซจะออกแรงกระทำต่อจรวดซึ่งมีโมดูลัสเดียวกัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม แรงนี้เป็นสิ่งที่ทำให้จรวดเร่งความเร็วขึ้น

หากคุณไม่มีจรวดอยู่ในมือมีวิธีอื่น ๆ ในการตรวจสอบว่ากฎข้อที่สามของนิวตันทำงานเพื่อขับเคลื่อน สามารถสร้างจรวดน้ำได้ซึ่งแรงผลักดันที่จำเป็นนั้นมาจากน้ำที่ขับออกมาโดยใช้ก๊าซภายใต้ความกดดัน

ควรสังเกตว่าการปล่อยจรวดน้ำต้องใช้เวลาและต้องใช้ความระมัดระวังเป็นอย่างมาก

การใช้รองเท้าสเก็ต

วิธีที่เหมาะสมและรวดเร็วกว่าในการทดสอบผลของกฎข้อที่สามของนิวตันคือการสวมรองเท้าสเก็ตคู่หนึ่งและผลักตัวเองพิงกำแพง

เวลาส่วนใหญ่ความสามารถในการออกแรงจะเกี่ยวข้องกับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ แต่ความจริงก็คือวัตถุที่เคลื่อนที่ไม่ได้ก็สามารถออกแรงได้เช่นกัน นักสเก็ตถูกขับเคลื่อนไปข้างหลังด้วยแรงที่กำแพงที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้กระทำต่อเขา

พื้นผิวที่สัมผัสกันออกแรงสัมผัส (ปกติ) ซึ่งกันและกัน เมื่อหนังสือวางอยู่บนโต๊ะแนวนอนหนังสือจะออกแรงในแนวตั้งที่เรียกว่าปกติ หนังสือใช้แรงในแนวตั้งบนโต๊ะของค่าตัวเลขเดียวกันและทิศทางตรงกันข้าม

การทดลองสำหรับเด็ก: นักสเก็ต

เด็กและผู้ใหญ่สามารถสัมผัสกับกฎข้อที่สามของนิวตันได้อย่างง่ายดายและตรวจสอบได้ว่าแรงกระทำและปฏิกิริยาไม่ได้ยกเลิกและสามารถเคลื่อนไหวได้

นักสเก็ตสองคนบนน้ำแข็งหรือบนพื้นผิวที่เรียบมากสามารถขับเคลื่อนซึ่งกันและกันและสัมผัสกับการเคลื่อนไหวในทิศทางตรงกันข้ามไม่ว่าพวกเขาจะมีมวลเท่ากันหรือไม่ก็ตามด้วยกฎแห่งการกระทำและปฏิกิริยา

พิจารณานักเล่นสเก็ตสองคนที่มีจำนวนคนที่แตกต่างกันมาก พวกเขาอยู่กลางลานสเก็ตน้ำแข็งซึ่งมีแรงเสียดทานเล็กน้อยและอยู่ในช่วงพัก ในช่วงเวลาหนึ่งพวกเขาผลักกันโดยใช้แรงคงที่ด้วยฝ่ามือของพวกเขา ทั้งคู่จะเคลื่อนไหวอย่างไร

นักสเก็ตสองคนขับเคลื่อนกันและกันกลางลานสเก็ตน้ำแข็ง ที่มา: Benjamin Crowell (ผู้ใช้ Wikipedia bcrowell)

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าเนื่องจากเป็นพื้นผิวที่ไม่มีแรงเสียดทานแรงที่ไม่สมดุลเพียงอย่างเดียวคือแรงที่นักเล่นสเก็ตใช้ซึ่งกันและกัน แม้ว่าน้ำหนักและการกระทำปกติของทั้งสองกองกำลังเหล่านี้จะสมดุลกันมิฉะนั้นนักสเก็ตจะเร่งความเร็วในแนวตั้ง

สูตรที่ใช้ในตัวอย่างนี้

กฎข้อที่สามของนิวตันระบุว่า:

F ₁₂ = - F ₂₁

นั่นคือแรงที่กระทำโดยผู้เล่น 1 ต่อ 2 มีขนาดเท่ากับแรงที่กระทำโดย 2 ต่อ 1 โดยมีทิศทางเดียวกันและทิศทางตรงกันข้าม โปรดสังเกตว่าแรงเหล่านี้ถูกนำไปใช้กับวัตถุต่าง ๆ ในลักษณะเดียวกับที่แรงถูกนำไปใช้กับลูกบอลและโลกในตัวอย่างแนวคิดก่อนหน้านี้

ม. ₁ถึง₁ = -m ₂ถึง₂

เนื่องจากกองกำลังอยู่ตรงข้ามกันความเร่งที่ทำให้เกิดก็จะตรงกันข้ามเช่นกัน แต่ขนาดของมันจะแตกต่างกันเนื่องจากนักเล่นสเก็ตแต่ละคนมีมวลต่างกัน มาดูอัตราเร่งที่ได้รับจากผู้เล่นคนแรก:

ดังนั้นการเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นต่อไปคือการแยกนักสเก็ตทั้งสองในทิศทางตรงกันข้าม โดยหลักการแล้วนักสเก็ตจะหยุดพักกลางแทร็ก แต่ละคนออกแรงผลักอีกฝ่ายหนึ่งซึ่งให้ความเร่งตราบเท่าที่มือสัมผัสกันและแรงผลักจะคงอยู่

หลังจากนั้นนักสเก็ตก็เคลื่อนตัวออกจากกันด้วยการเคลื่อนที่แบบเส้นตรงที่สม่ำเสมอเนื่องจากแรงที่ไม่สมดุลจะไม่ทำงานอีกต่อไป ความเร็วของนักเล่นสเก็ตแต่ละคนจะแตกต่างกันหากมวลของพวกเขายัง

การออกกำลังกายได้รับการแก้ไข

ในการแก้ปัญหาที่ต้องใช้กฎของนิวตันจำเป็นต้องดึงแรงที่กระทำต่อวัตถุอย่างระมัดระวัง ภาพวาดนี้เรียกว่า "free-body diagram" หรือ "isolated-body diagram" ไม่ควรแสดงแรงที่ร่างกายกระทำกับวัตถุอื่นในแผนภาพนี้

หากมีวัตถุมากกว่าหนึ่งชิ้นที่เกี่ยวข้องกับปัญหาจำเป็นต้องวาดแผนภาพอิสระสำหรับแต่ละวัตถุโดยจำไว้ว่าคู่ปฏิกิริยาการกระทำกระทำต่อร่างกายที่แตกต่างกัน

ก) อัตราเร่งที่นักเล่นสเก็ตแต่ละคนได้รับจากการผลักดัน

b) ความเร็วของแต่ละอันเมื่อแยกจากกัน

สารละลาย

ก) ใช้แนวนอนที่เป็นบวกจากซ้ายไปขวา ใช้กฎข้อที่สองของนิวตันกับค่าที่ระบุโดยข้อความที่เรามี:

F ₂₁ = m ₁ถึง₁

จากที่ไหน:

สำหรับนักเล่นสเก็ตคนที่สอง:

b) สมการจลนศาสตร์ของการเคลื่อนที่เชิงเส้นตรงแบบเร่งความเร็วสม่ำเสมอใช้ในการคำนวณความเร็วที่พวกมันดำเนินการเมื่อแยกจากกัน:

ความเร็วเริ่มต้นคือ 0 เนื่องจากพวกมันหยุดอยู่ตรงกลางของแทร็ก:

v _f = ที่

v _f1 = a ₁ t = -4 m / s ² . 0.40 วินาที = -1.6 เมตร / วินาที

v _f2 = a ₂ t = +2.5 ม. / วินาที² . 0.40 วินาที = +1 เมตร / วินาที

ผล

ตามที่คาดไว้บุคคลที่ 1 ที่เบากว่าจะได้รับอัตราเร่งที่มากขึ้นดังนั้นจึงมีความเร็วมากขึ้น ตอนนี้ให้สังเกตสิ่งต่อไปนี้เกี่ยวกับผลคูณของมวลและความเร็วของผู้เล่นแต่ละคน:

ม. ₁ v ₁ = 50 กก. (-1.6 ม. / วินาที) = - 80 กก

ม₂ v ₂ = 80 กก. 1 m / s = +80 กก. m / s

ผลรวมของผลิตภัณฑ์ทั้งสองคือ 0 ผลคูณของมวลและความเร็วเรียกว่าโมเมนตัม P เป็นเวกเตอร์ที่มีทิศทางและความรู้สึกความเร็วเดียวกัน เมื่อนักสเก็ตได้พักผ่อนและมือของพวกเขาสัมผัสกันอาจสันนิษฐานได้ว่าพวกเขาสร้างวัตถุเดียวกันกับที่มีโมเมนตัม:

P _o = (ม. ₁ + ม. ₂ ) v _o = 0

หลังจากการกดเสร็จสิ้นจำนวนการเคลื่อนไหวของระบบสเก็ตจะยังคงเป็น 0 ดังนั้นปริมาณการเคลื่อนไหวจึงถูกสงวนไว้

ตัวอย่างกฎข้อที่สามของนิวตันในชีวิตประจำวัน

เดิน

การเดินถือเป็นการกระทำในชีวิตประจำวันอย่างหนึ่งที่สามารถทำได้ หากสังเกตอย่างระมัดระวังการเดินต้องใช้เท้าดันพื้นเพื่อให้แรงส่งกลับที่เท่ากันและตรงข้ามกับเท้าของผู้เดิน

ขณะที่เราเดินเราใช้กฎข้อที่สามของนิวตันอยู่ตลอดเวลา ที่มา: Pixabay

เป็นแรงที่ทำให้คนเดินได้อย่างแม่นยำ ในการบินนกจะออกแรงบนอากาศและอากาศจะดันปีกเพื่อให้นกขับเคลื่อนตัวเองไปข้างหน้า

การเคลื่อนที่ของรถ

ในรถยนต์ล้อจะออกแรงบนทางเท้า ด้วยปฏิกิริยาของทางเท้าทำให้เกิดแรงกับยางที่ขับเคลื่อนรถไปข้างหน้า

กีฬา

ในกีฬาพลังแห่งการกระทำและปฏิกิริยามีมากมายและมีส่วนร่วมอย่างแข็งขัน

ตัวอย่างเช่นลองดูนักกีฬาวางเท้าบนบล็อกสตาร์ท บล็อกให้แรงตามปกติในการตอบสนองต่อแรงผลักที่นักกีฬาออกแรงกับมัน ผลของความปกติและน้ำหนักของนักวิ่งส่งผลให้เกิดแรงในแนวนอนที่ทำให้นักกีฬาต้องขับเคลื่อนตัวเองไปข้างหน้า

นักกีฬาใช้บล็อกสตาร์ทเพื่อเพิ่มโมเมนตัมไปข้างหน้าเมื่อเริ่มต้น ที่มา: Pixabay

ท่อดับเพลิง

อีกตัวอย่างหนึ่งที่มีกฎข้อที่สามของนิวตันอยู่ในนักผจญเพลิงที่ถือท่อดับเพลิง ปลายสายยางขนาดใหญ่เหล่านี้มีที่จับที่หัวฉีดซึ่งนักผจญเพลิงต้องจับเมื่อน้ำพุ่งออกเพื่อหลีกเลี่ยงการหดตัวที่เกิดขึ้นเมื่อน้ำกำลังไหลออกมา

ด้วยเหตุผลเดียวกันจึงสะดวกในการผูกเรือเข้ากับท่าเรือก่อนออกจากเรือเพราะเมื่อถูกผลักไปถึงท่าเรือจะมีการบังคับเรือที่เคลื่อนย้ายออกจากเรือ

อ้างอิง

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. รุ่นที่หก ศิษย์ฮอลล์. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. ฟิสิกส์. เล่ม 1. พิมพ์ครั้งที่ 5. การเปลี่ยนกลับด้านบรรณาธิการ 94 - 95.
4. สเติร์น D. 2002 จากนักดาราศาสตร์สู่ยานอวกาศ นำมาจาก: pwg.gsfc.nasa.gov.