หน่วยที่ 1: กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton's Laws of Motion)

1.2 การวิเคราะห์แรง มวล และความเร่ง

กฎข้อที่ 2 ของนิวตันอธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่มากระทำกับวัตถุ มวลของวัตถุ และความเร่งที่เกิดขึ้นจากแรงนั้น โดยกฎนี้มีความสำคัญในการทำความเข้าใจว่าทำไมวัตถุจึงเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ได้ เช่น วัตถุเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อได้รับแรงมากขึ้น หรือหากมวลของวัตถุเพิ่มขึ้น จะต้องการแรงมากขึ้นในการเร่งวัตถุให้เคลื่อนที่ด้วยความเร่งเดียวกัน

สูตรที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์นี้คือ:

\[ F = ma \]

ในสูตรนี้:

• \( F \) หมายถึง แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุ (มีหน่วยเป็นนิวตัน, N)
• \( m \) หมายถึง มวลของวัตถุ (มีหน่วยเป็นกิโลกรัม, kg)
• \( a \) หมายถึง ความเร่งของวัตถุ (มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทียกกำลังสอง, m/s^2)

สูตรนี้บ่งบอกว่าแรงที่มากระทำกับวัตถุยิ่งมากขึ้นเท่าไร ความเร่งที่เกิดขึ้นก็ยิ่งมากขึ้นตามสัดส่วน ตัวอย่างเช่น การขับรถยนต์: หากแรงที่เครื่องยนต์สร้างขึ้นเพิ่มขึ้น ความเร็วของรถก็จะเพิ่มขึ้น แต่ถ้ารถมีมวลที่มากขึ้น จะต้องการแรงมากขึ้นในการทำให้รถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เท่ากัน

การวิเคราะห์ในแง่ของแรง มวล และความเร่งช่วยให้เราเข้าใจถึงการเคลื่อนที่ของวัตถุในสถานการณ์ต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนที่ของรถยนต์ การปล่อยจรวด หรือแม้แต่การเดินหรือวิ่งของมนุษย์ ทุกครั้งที่มีแรงมากระทำ มวลของวัตถุและความเร่งจะเข้ามามีบทบาทในการกำหนดผลลัพธ์สุดท้าย

ตัวอย่างการคำนวณ:

ลองพิจารณาวัตถุที่มีมวล 10 กิโลกรัม ถูกกระทำด้วยแรง 50 นิวตัน เราสามารถคำนวณความเร่งของวัตถุได้ดังนี้:

\[ a = \frac{F}{m} = \frac{50 \, \text{N}}{10 \, \text{kg}} = 5 \, \text{m/s}^2 \]

ดังนั้น ความเร่งของวัตถุจะเท่ากับ \( 5 \, \text{m/s}^2 \) นี่แสดงให้เห็นว่าแรงที่มากระทำมีผลโดยตรงต่อความเร่งที่วัตถุจะมี

การประยุกต์ใช้:

การคำนวณแรง มวล และความเร่งมีการประยุกต์ใช้ในหลายด้าน เช่น ในการออกแบบยานพาหนะ วิศวกรจะต้องคำนึงถึงแรงที่กระทำต่อยานพาหนะและความเร่งที่เกิดขึ้นเพื่อให้ยานพาหนะมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ในกีฬาก็มีการใช้หลักการนี้เช่นกัน นักกีฬาที่ต้องการเพิ่มความเร็วในการวิ่งต้องพยายามเพิ่มแรงที่ใช้ในการวิ่งเพื่อเพิ่มความเร่งของตนเอง

สรุป:

• กฎข้อที่ 2 ของนิวตันอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรง มวล และความเร่ง โดยใช้สูตร \( F = ma \)
• แรงที่มากขึ้นจะทำให้ความเร่งเพิ่มขึ้น และมวลที่มากขึ้นจะทำให้ต้องการแรงมากขึ้นในการเร่งวัตถุ
• การคำนวณความเร่งจากแรงและมวลมีการประยุกต์ใช้ในหลายด้าน เช่น การออกแบบยานพาหนะและการกีฬา