เพราะอะไรจึงไม่สามารถขี่จักรยานบนพื้นทราย?

หลายคนคงเคยมีประสบการณ์ การขี่จักรยานบนพื้นทราย  และบนพื้นถนน เราจะรู้สึกว่า แรงที่ใช้ปั่นจักรยานบนพื้นทรายต้องออกแรงพยายามที่มากกว่า ถึงแม้จะมีกำลังแข็งแรงสักเพียงใดก็ไม่สามารถทำได้ เพราะพื้นทรายบริเวณหาดทรายชายทะเล จะมีทรายหนามากจนทำให้เกิดแรงเสียดทานต้านล้อรถที่จะหมุนไปบนผิวทราย ทำให้ล้อรถไม่สามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเมื่อล้อรถฝังลึก ในพื้นทรายแล้ว ถึงแม้เราจะมีกำลังแข็งแรงสักเท่าไร ก็ไม่สามารถที่จะขี่จักรยานให้เคลื่อนที่ได้เลย และเราสามารถเปลี่ยนความเร็วบนพื้นถนนได้ง่ายกว่าบนพื้นทราย   ในการเข็นรถหรือวัตถุใดๆ จะพบว่าถ้าวัตถุมี     มวลน้อยกว่า จะทำให้เคลื่อนที่ได้ง่ายกว่า และทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น ได้ง่ายกว่าวัตถุที่มีมวลมากว่าเหตุการณ์นี้เป็นไปตามกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน

กฎข้อสองบอกเอาไว้ว่า แรงภายนอกจะส่งผลต่อความเร่ง ซึ่งความเร่งก็คือการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว ดังนั้นแรงจึงส่งผลต่อโมเมนตัมเช่นกัน

“ความเร่ง (acceleration) ของวัตถุ จะขึ้นอยู่กับมวล (mass) ของวัตถุ และปริมาณของแรง (force) ที่กระทำต่อวัตถุนั้น”

แล้วหมายความว่าไงล่ะคะ

ก็ เรารู้อยู่แล้วว่าถ้าเราอยากให้วัตถุเคลื่อนที่ เราต้องมีแรงภายนอกไปกระทำต่อวัตถุนั้น กฎข้อสองของนิวตันจึงหมายความว่า แรงที่มากกว่าจะทำให้วัตถุเร่งความเร็วได้เร็วกว่า อย่างเช่น ถ้าคุณนั่งอยู่บนจักรยานแล้วเพื่อนออกแรงดันคุณเบาๆ คุณก็จะเร่งความเร็วไปอย่างช้าๆ แต่ถ้าเพื่อนออกแรงผลักคุณแรงๆ คุณก็จะเร่งความเร็วได้เร็วขึ้น จริงไหม ยิ่งแรกเยอะ ความเร่งก็ยิ่งมาก

แต่มวลของวัตถุก็เป็นตัวแปรอีกอย่างหนึ่งด้วย

ถ้าเราออกแรงดันจักรยานที่คนขี่เป็นเด็ก กับอีกคันที่คนขี่เป็นผู้ใหญ่ โดยที่ออกแรงดันเท่ากันทั้งสองคัน อัตราความเร่งของทั้งสองคันก็ย่อมไม่เท่ากัน คันที่คนขี่เป็นเด็กซึ่งมีมวลน้อยกว่าจะเร่งความเร็วได้เร็วกว่า ส่วนคันที่เป็นผู้ใหญ่ซึ่งมีมวลมากกว่าก็จะเร่งความเร็วได้ช้ากว่า

นอกจากนี้ คนขี่จักรยานพวกนี้ยังมีโมเมนตัม (momentum) ด้วย ซึ่งคำนวณหาได้โดยใช้สูตร

โมเมนตัม= มวลของวัตถุ x ความเร็วของวัตถุ

คุณสามารถรู้สึกถึง โมเมนตัม ได้ ยกตัวอย่างเช่น การหยุดวัตถุที่มีมวลมากและกำลังเคลื่อนที่นั้นเป็นเรื่องยาก เช่นการหยุดลูกลูกโบว์ลิ่งที่โยนเข้ามาหาคุณ หรือการหยุดวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงก็เป็นเรื่องยากเช่นกัน  เช่นการหยุดลูกเบสบอลที่ขว้างมาด้วยความเร็วโดยไม่ใส่ถุงมือรับลูก

โอ๊ย!! เอาล่ะ ไหนลองบอกซิว่ากฎข้อสองของนิวตันส่งผลต่อโมเมนตัมอย่างไร

กฎข้อสองบอกเอาไว้ว่า แรงภายนอกจะส่งผลต่อความเร่ง ซึ่งความเร่งก็คือการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว ดังนั้นแรงจึงส่งผลต่อโมเมนตัมเช่นกัน