หากพูดถึงเรื่องของแรงหรือเรื่องของกฎการเคลื่อนที่คงจะเป็นเรื่องพื้นฐานสำหรับนักเรียนสายวิทย์ที่ต้องเรียนตั้งแต่ มัธยมศึกษาปีที่ 4 แต่ว่าเรื่องทั้งสองนี้ก็เป็นเรื่องที่เป็นความรู้รอบตัวที่สำคัญแม้แต่ผู้ที่เรียนทางด้านภาษาหรือสังคมก็ควรรู้เอาไว้ วันนี้จึงจะมาเล่าเรื่องพวกนี้ให้เข้าใจง่าย ๆ คนที่ไม่มีพื้นฐานก็จะสามารถอ่านทำความเข้าใจได้อย่างแน่นอน

ภาพการขี่จักรยานแสดงการเคลื่อนที่
ที่มา https://pixabay.com, Free-Photos

           ก่อนที่เราจะไปทำความเข้าใจพื้นฐานของกฎการเคลื่อนที่นั้น เราต้องรู้จักคำว่า “แรง” กันก่อน

           แรง (F) คือสิ่งที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ ทำให้วัตถุมีความเร็วมากขึ้นก็ได้ ความเร็วลดลงก็ได้ หรือเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ก็ได้ เพราะทั้งสามอย่างนี้เป็นสิ่งที่ขึ้นอยู่กับขนาดและทิศทางของแรง นอกจากนี้แรงยังเป็นสิ่งที่ทำให้วัตถุรักษาสภาพรูปร่างไว้ได้ (maintain) หรือทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างก็ได้ (distort) โดยแรงมีหน่วยสากลคือ นิวตัน (N)

ประเภทของแรง

1. แรงที่เกิดการสัมผัส (Contact Force) เป็นแรงที่ต้องมีการสัมผัสกันของวัตถุ 2 ชิ้น เช่น การวิ่ง (เป็นการกระทำแรงลงบนพื้น) การชนกันของวัตถุ ซึ่งสามารถแบ่งย่อยได้อีก 6 ประเภท คือ

   1. แรงตึง (tensional)

   2. แรงสปริง (spring)

   3. แรงปฏิกิริยา (normal reaction)

   4. แรงเสียดทาน (friction)

   5. แรงต้านอากาศ (air friction)

   6. น้ำหนัก (weight)

2. แรงที่ไม่เกิดการสัมผัส (Non - Contact Force) เช่น แรงโน้มถ่วง แรงทางแม่เหล็ก แรงทางไฟฟ้า เหล่านี้ล้วนเป็นแรงที่กระทำต่อวัตถุใด ๆ ได้โดยไม่ต้องมีการสัมผัสและสามารถเกิดแรงเหล่านี้ได้แม้แต่ในอวกาศ ซึ่งสามารถแบ่งย่อยได้ 3 ประเภท คือ

   1. แรงโน้มถ่วง (gravitational)

   2. แรงทางไฟฟ้า (electrical)

   3. แรงทางแม่เหล็ก (magnetic)

หน่วยของแรง

• แรงคือปริมาณเวกเตอร์ (ปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง)

• หน่วย SI ของแรงคือ นิวตัน N (คนที่คุณก็รู้ว่าใคร)

• 1 นิวตัน = 1 kg⋅m/s² ; kg = kilogram, m = meter, s = second

 (ตรงนี้อาจจะเข้าใจยากแต่ที่มาที่ไปคือ แรงเกิดจากการนำ “มวล” คูณกับ “ความเร่ง”)

แรงและกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

    สำหรับแนวคิดเกี่ยวกับเรื่องแรงนั้นผู้ที่ได้คิดค้นเป็นผู้แรกและถูกบันทึกไว้เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่เราทุกคนน่าจะเคยได้ยินชื่อของท่าน เซอร์ไอแซค นิวตัน โดยท่านได้บัญญัติกฎเรื่องแรงขึ้นมา 3 ข้อ ซึ่งแต่ละข้อมีรายละเอียดเบื้องต้นดังนี้

ข้อที่ 1

" วัตถุที่หยุดนิ่งจะพยายามหยุดนิ่งอยู่กับที่ ตราบที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำ ส่วนวัตถุที่เคลื่อนที่จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ ตราบที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำเช่นกัน "

นี่คือสิ่งที่เรียกว่า  ความเฉื่อย กล่าวคือ วัตถุจะไม่มีการเพิ่มความเร็ว ลดความเร็ว หรือเปลี่ยนทิศทางถ้าไม่มีแรงมากระทำ (อาจฟังดูเหมือนเป็นเรื่องปกติแต่ว่ามันพิเศษมากที่ท่านสามารถสังเกตจนสรุปและบัญญัติออกมาเป็นกฎได้)

ข้อที่ 2

“ ความเร่งของวัตถุจะแปรผันตามแรงที่กระทำต่อวัตถุ แต่จะแปรผกผันกับมวลของวัตถุ ”

F = ma ถ้าคุณผู้อ่านหยิบสูตรนี้ไปถามนักเรียนมัธยมปลายสายวิทยาศาสตร์ เด็ก ๆ จะตอบได้อย่างแน่นอนเพราะเป็นเรื่องที่ถูกบรรจุอยู่ในรายวิชาฟิสิกส์พื้นฐาน ม.4 แรงเพิ่ม ความเร่งก็เพิ่ม แรงลด ความเร่งก็ลด กลับกัน ถ้ามวลเพิ่ม ความเร่งจะลด มวลลด ความเร่งจะเพิ่ม ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณเขวี้ยงลูกบอลออกไปกระแทกลงพื้น ในขณะที่บอลกระทบพื้นนั้นบอลจะกระจายแรงของตัวเองลงสู่พื้นซึ่งมีค่าขึ้นกับความเร่งของลูกบอล แต่ในขณะเดียวกันนั้นพื้นก็มีแรงกระแทกกลับสู่ลูกบอลซึ่งเป็นเหตุผลที่ทำให้ลูกบอลเด้งกลับขึ้นมาจากพื้น ซึ่งสูตรนี้ของนิวตันทำให้เราประยุกต์ใช้ในทางวิทยาศาสตร์ได้อย่างมากมายเพราะถ้าเราทราบหรือมีข้อมูลของตัวแปรสองตัวเราก็สามารถรู้และหาค่าตัวที่สามได้ทันที และเราก็ยังรู้ด้วยว่าเมื่อใดก็ตามที่วัตถุมีความเร่ง หมายความว่าวัตถุนั้นต้องมีแรงกระทำกับมันอย่างแน่นอน

ข้อ 3   

“แรงที่วัตถุที่หนึ่งกระทำต่อวัตถุที่สองย่อมเท่ากับแรงที่วัตถุที่สองกระทำต่อวัตถุที่หนึ่งแต่ทิศทางตรงข้ามกัน”

“(Action = Reaction)”

ยกตัวอย่างเช่น     ถ้าคุณมีโอกาสได้ไปล่องเรือชมเมืองเวนิสก่อนที่มันจะจมน้ำหมดในอีกไม่ถึง 100 ปี และคุณกระโดดออกจากเรือลงสู่แม่น้ำ แรงที่คุณกระโดดไปข้างหน้าเพื่อออกจากเรือนั้น จะมีแรงที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามผลักเรือไปข้างหลัง ซึ่งแรงทั้งสองนี้เกิดขึ้นพร้อม ๆ กัน

          ผู้เขียนหวังเป็นอย่างยิ่งว่าบทความนี้จะช่วยให้ท่านผู้อ่านที่ไม่เคยศึกษาเรื่องแรงและกฎการเคลื่อนที่ของท่านเซอร์ไอแซก นิวตันได้เห็นคุณค่าของผลงานท่านที่เป็นมรดกมาจนถึงทุกวันนี้ และได้เรียนรู้เรื่องของแรงไปในระดับหนึ่ง

แหล่งที่มา

Definition of Force in Physics.  Retrieved Aug 10, 2019, from https://www.thoughtco.com/force-2698978

 Force Definition and Examples (Science)

.Retrieved Aug 10, 2019, from https://www.thoughtco.com/force-definition-and-examples-science-3866337