กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

"กลศาสตร์นิวตัน" เปลี่ยนทางมาที่นี่ สำหรับกลศาสตร์ในทั่วไปที่ไม่เป็นสัมพัทธภาพและไม่เป็นควอนตัม ดูที่ กลศาสตร์ดั้งเดิม

"กฎของนิวตัน" เปลี่ยนทางมาที่นี่ สำหรับความหมายอื่น ดูที่ กฎของนิวตัน (แก้ความกำกวม)

"F=ma" เปลี่ยนทางมาที่นี่ สำหรับความหมายอื่น ดูที่ F=ma (แก้ความกำกวม)

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (อังกฤษ: Newton's laws of motion) เป็นกฎทางฟิสิกส์สามข้อที่บรรยายความสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่ของวัตถุกับแรงที่กระทำต่อวัตถุนั้น กฎนี้เป็นหลักมูลฐานของกลศาสตร์นิวตัน ในตลอดสามร้อยปีที่ผ่านมากฎทั้งสามข้อได้รับการตีความในหลายด้าน ซึ่งสามารถถอดความได้ดังนี้

ประการแรก	วัตถุคงสภาพหยุดนิ่ง หรือสภาพเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวในแนวเส้นตรง เว้นแต่มีแรงมากระทำต่อวัตถุนั้น
ประการที่สอง	ณ เวลาขณะใดขณะหนึ่ง แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเท่ากับความเร่งของวัตถุคูณด้วยมวลของวัตถุนั้น หรือสมมูลกับอัตราที่ซึ่งโมเมนตัมของวัตถุเปลี่ยนแปลงตามเวลา
ประการที่สาม	เมื่อวัตถุหนึ่งกระทำแรงต่ออีกวัตถุหนึ่ง จะมีแรงขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกับทิศทางของวัตถุแรก

กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อบัญญัติขึ้นครั้งแรกโดยไอแซก นิวตัน ในงานเขียน Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (หลักคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ) ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกใน ค.ศ. 1687 นิวตันได้นำกฎเหล่านี้มาใช้ในการศึกษาและบรรยายการเคลื่อนที่ของวัตถุและระบบทางกายภาพ นับแต่สมัยของนิวตันเป็นต้นมา มีการหยั่งรู้ขึ้นใหม่โดยเฉพาะที่ว่าด้วยแนวคิดของพลังงาน ซึ่งสร้างสาขากลศาสตร์ดั้งเดิมขึ้นบนรากฐานของเขา ในสมัยปัจจุบัน มีการค้นพบข้อจำกัดในกฎของนิวตัน ทำให้มีการพัฒนาทฤษฎีใหม่ขึ้นตามมา อาทิ กลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพเพื่อบรรยายฟิสิกส์ของวัตถุในกรณีที่มีกรณีที่สุดขีดมากขึ้น

ความรู้ที่ต้องมีมาก่อน

กฎของนิวตันมักกล่าวในรูปของจุดหรืออนุภาคมวล กล่าวคือวัตถุที่มีปริมาตรน้อยจนละได้ การประมาณนี้ถือว่าเหมาะสมสำหรับวัตถุจริงเมื่อการเคลื่อนที่ของส่วนภายในสามารถละได้ และเมื่อระยะห่างระหว่างวัตถุนั้นมากกว่าขนาดของแต่ละวัตถุมาก อาทิ โลกและดวงอาทิตย์สามารถประมาณเป็นจุดได้เมื่อพิจารณาการโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ แต่โลกไม่สามารถถือเป็นจุดได้เมื่อพิจารณาถึงกิจกรรมบนพื้นผิว

การบรรยายเชิงคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนที่หรือจลนศาสตร์ตั้งอยู่บนความคิดของการระบุตำแหน่งด้วยพิกัดเชิงตัวเลข การเคลื่อนไหวแทนด้วยการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของตัวเลข กล่าวคือเส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุแทนด้วยฟังก์ชันที่กำหนดกับแต่ละค่าของเวลาซึ่งแปรผันเป็นค่าพิกัดตำแหน่งทั้งหมด กรณีที่ง่ายที่สุดคือการเคลื่อนที่หนึ่งมิตินั่นคือเมื่อวัตถุจำกัดให้เคลื่อนที่ได้เพียงตามแนวเส้นตรง ตำแหน่งจึงสามารถระบุได้ด้วยตัวเลขเพียงค่าเดียว ซึ่งบอกว่าวัตถุนั้นอยู่ที่ใดเมื่อเทียบกับจุดอ้างอิงที่เลือก อาทิ วัตถุอาจเคลื่อนที่อย่างอิสระไปตามรางที่วางจากซ้ายไปขวา ดังนั้นตำแหน่งสามารถระบุจากระยะห่างจากจุดศูนย์หรือจุดกำเนิดที่สะดวก โดยจำนวนลบแสดงตำแหน่งทางซ้ายและจำนวนบวกแสดงตำแหน่งทางขวา ถ้าตำแหน่งของวัตถุเป็นฟังกฺชันของเวลา $s(t)$ แล้วความเร็วเฉลี่ยตามช่วงเวลาจาก $t_{0}$ ถึง $t_{1}$ เป็น $${\frac {\Delta s}{\Delta t}}={\frac {s(t_{1})-s(t_{0})}{t_{1}-t_{0}}}$$ ในที่นี้อักษรกรีก $\Delta$ (เดลตา) ได้รับการใช้ตามธรรมเนียมเพื่อแสดงถึง "การเปลี่ยนแปลงใน" ความเร็วเฉลี่ยเป็นบวกแสดงว่าพิกัดตำแหน่ง $s$ เพิ่มขึ้นตามช่วงเวลาที่พิจารณา ความเร็วเฉลี่ยเป็นลบแสดงว่ามีการลดลงสุทธิตามช่วงเวลานั้น และถ้าความเร็วเฉลี่ยเป็นศูนย์แสดงว่าวัตถุนั้นสิ้นสุดช่วงเวลาในตำแหน่งเดียวกับที่เริ่มต้น แคลคูลัสให้ความหมายในการนิยามความเร็วขณะหนึ่งว่าเป็นการวัดความเร็วและทิศทางของการเคลื่อนที่ของวัตถุ ณ ขณะเวลาเดียว แทนการพิจารณาตามช่วงเวลา สัญกรณ์หนึ่งสำหรับความเร็วขณะหนึ่งคือการแทนที่ $\Delta$ ด้วยสัญลักษณ์ $\mathrm {d}$ อาทิ$$v={\frac {\mathrm {d} s}{\mathrm {d} t}}$$ สมการนี้หมายความว่าความเร็วขณะหนึ่งเป็นอนุพันธ์ของตำแหน่งเทียบกับเวลา โดยสามารถคิดเข้าใจคร่าว ๆ ได้ว่าเป็นอัตราส่วนระหว่างการเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งเล็กน้อยยิ่ง $\mathrm {d} s$ ต่อช่วงเวลาเล็กน้อยยิ่ง $\mathrm {d} t$ ที่การเปลี่ยนแปลงนั้นเกิดขึ้น กล่าวให้ถี่ถ้วนยิ่งขึ้น ความเร็วและอนุพันธ์อื่นทั้งหมดสามารถนิยามได้ด้วยแนวคิดของลิมิต ฟังก์ชัน $f(t)$ มีลิมิต $L$ ที่ค่าป้อนเข้า $t_{0}$ ถ้าความแตกต่างระหว่าง $f$ และ $L$ สามารถทำให้เล็กเท่าที่ต้องการด้วยการเลือกค่าป้อนเข้าที่พอเข้าใกล้ $t_{0}$ เขียนแทนได้ว่า $$\lim _{t\to t_{0}}f(t)=L$$ ความเร็วขณะหนึ่งสามารถนิยามเป็นลิมิตของความเร็วเฉลี่ยเมื่อช่วงเวลาลดลงจนเข้าใกล้ศูนย์ ดังนี้$${\frac {\mathrm {d} s}{\mathrm {d} t}}=\lim _{\Delta t\to 0}{\frac {s(t+\Delta t)-s(t)}{\Delta t}}$$ ความเร่งสัมพันธ์กับความเร็วเช่นเดียวกับที่ความเร็วสัมพันธ์กับตำแหน่ง กล่าวคือความเร่งคืออนุพันธ์ของความเร็วเทียบกับเวลา ความเร่งสามารถนิยามเป็นลิมิต ดังนี้$$a={\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}=\lim _{\Delta t\to 0}{\frac {v(t+\Delta t)-v(t)}{\Delta t}}$$ฉะนั้น ความเร่งจึงเป็นอนุพันธ์อันดับสองของตำแหน่ง โดยทั่วไปเขียนอยู่ในรูป ${\frac {\mathrm {d} ^{2}s}{\mathrm {d} t^{2}}}$

ตำแหน่งเมื่อพิจารณาเป็นการกระจัดจากจุดกำเนิดนั้นเป็นเวกเตอร์ กล่าวคือเป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง ความเร็วและความเร่งเป็นปริมาณเวกเตอร์เช่นกัน เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ของพีชคณิตเวกเตอร์ช่วยให้สามารถบรรยายการเคลื่อนที่ในสองมิติ สามมิติ หรือมากกว่าได้ เวกเตอร์โดยทั่วไปเขียนแทนด้วยลูกศร อาทิ ใน ${\vec {s}}$ หรือเขียนเป็นตัวหนา อาทิ ${\bf {s}}$ โดยทั่วไป เวกเตอร์แสดงในเชิงทัศนเป็นลูกศร โดยทิศของเวกเตอร์คือทิศของลูกศรและขนาดของเวกเตอร์แสดงด้วยความยาวของลูกศร ในเชิงตัวเลข เวกเตอร์สามารถแสดงเป็นรายการได้ อาทิ เวกเตอร์ความเร็วของวัตถุอาจเขียนเป็น $\mathbf {v} =(\mathrm {3~m/s} ,\mathrm {4~m/s} )$ ซึ่งหมายความว่าวัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 3 เมตรต่อวินาทีในแนวแกนนอนและ 4 เมตรต่อวินาทีในแนวแกนตั้ง การเคลื่อนที่เดียวกันหากบรรยายในระบบพิกัดที่แตกต่างกันจะแทนด้วยตัวเลขที่ต่างออกไปและสามารถใช้พีชคณิตเวกเตอร์ในการแปลระหว่างระบบพิกัดนั้นได้

การศึกษากลศาสตร์มีความซับซ้อนมากขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าคำทั่วไปในชีวิตประจำวัน อาทิ พลังงาน ได้รับการนำมาใช้ในความหมายทางเทคนิค อีกทั้งคำที่เป็นคำพ้องความหมายกันในภาษาทั่วไปอาจไม่ได้มีความหมายเหมือนกันในฟิสิกส์ เช่น แรง ไม่ใช่สิ่งเดียวกับ กำลัง หรือ ความดัน และ มวล ก็มีความหมายแตกต่างจาก น้ำหนัก แนวคิดฟิสิกส์ของ แรง ทำให้แนวคิดในชีวิตประจำวันเกี่ยวกับการผลักหรือดึงเป็นเชิงปริมาณ ในกลศาสตร์นิวตัน แรงโดยทั่วไปเกิดจากเส้นด้ายกับเชือก แรงเสียดทาน แรงจากกล้ามเนื้อ ความโน้มถ่วง ฯลฯ เช่นเดียวกับการกระจัด ความเร็ว และความเร่ง แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์เช่นกัน

กฎการเคลื่อนที่

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 1

บทความหลัก: ความเฉื่อย

คำอธิบายกฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตันและกรอบอ้างอิง (MIT Course 8.01)

กฎข้อแรกระบุว่า ถ้าแรงลัพธ์ (ผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ) เป็นศูนย์แล้วความเร็วของวัตถุจะเป็นค่าคงที่ ความเร็วเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งแสดงทั้งความเร็วของวัตถุและทิศทางของการเคลื่อนที่ ดังนั้นความเร็วของวัตถุคงที่จึงต้องคงที่ทั้งขนาดและทิศทางด้วย

กฎข้อที่หนึ่งสามารถเขียนเป็นสมการคณิตสาสตร์ได้ เมื่อมวลเป็นค่าคงที่ที่ไม่เป็นศูนย์ คือ

$\sum \mathbf {F} =0\;\Leftrightarrow \;{\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}=0$

ดังนั้น

• วัตถุที่หยุดนิ่งจะหยุดนิ่งต่อไปเรื่อย ๆ เว้นแต่จะมีแรงภายนอกมากระทำ
• วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะไม่เปลี่ยนแปลงความเร็ว เว้นแต่จะมีแรงภายนอกมากระทำเช่นกัน

กฎข้อนี้นำมาซึ่งแนวคิดเกี่ยวกับ ความเฉื่อยของวัตถุ และแฝงคำจำกัดความของกรอบอ้างอิงเฉื่อย (inertia frames of reference) ไว้ ในทางปฏิบัติระบบอ้างอิงเฉื่อยคือระบบอ้างอิงที่อยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ (ไม่มีความเร่ง) เทียบกับดาวไกลโพ้น กรอบอ้างอิงเฉื่อยเป็นเงื่อนไขเพื่อให้กฎข้อที่สองเป็นจริง

การเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ หมายถึงการที่วัตถุจะเคลื่อนที่อย่างเดิมไปจนกว่าจะมีแรงมากระทำ ถ้าหยุดนิ่งก็จะหยุดนิ่งต่อไป (แสดงให้เห็นโดยการดึงผ้าปูโต๊ะที่มีจานวางไว้ออกอย่างรวดเร็ว จานจะวางอยู่ที่เดิมไม่ติดกับผ้าไป) ถ้าวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่หมุนหรือเปลี่ยนอัตราเร็วของมัน ซึ่งเห็นได้ชัดเจนในยานสำรวจอวกาศทีเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องไปในอวกาศ การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่จะขึ้นอยู่กับแนวโน้มของวัตถุที่จะคงสถานะการเคลื่อนที่ไว้ ในกรณีที่ไม่มีแรงสุทธิวัตถุมีแนวโน้มจะเคลื่อนที่ไปในแนวเส้นตรงต่อไปเรื่อย ๆ

นิวตันวางกฎการเคลื่อนที่ข้อแรกเพื่อกำหนดกรอบอ้างอิงสำหรับให้กฎอื่น ๆ สามารถใช้ได้ กฎของการเคลื่อนที่ข้อแรกตั้งเงื่อนไขของกรอบอ้างอิงอย่างน้อยหนึ่งกรอบที่เรียกว่า กรอบอ้างอิงเฉื่อยหรือกรอบอ้างอิงนิวโตเนียน ซึ่งเมื่อเทียบกับกรอบนี้แล้ว การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ไม่ขึ้นกับแรงเป็นเส้นตรงและมีความเร็วคงที่ กฎการเคลื่อนที่ข้อแรกของนิวตันมักถูกเรียกว่ากฎของความเฉื่อย ดังนั้นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการเคลื่อนที่สม่ำเสมอของอนุภาคเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิงเชิงเฉื่อยคือแรงสุทธิรวมที่กระทำเป็นศูนย์ ในแง่นี้กฎข้อแรกสามารถเรียบเรียงใหม่ได้ว่า:

In every material universe, the motion of a particle in a preferential reference frame Φ is determined by the action of forces whose total vanished for all times when and only when the velocity of the particle is constant in Φ. That is, a particle initially at rest or in uniform motion in the preferential frame Φ continues in that state unless compelled by forces to change it.

ในภาษาไทย คือ

ในเอกภพของสสารใด ๆ การเคลื่อนที่ของอนุภาคในกรอบอ้างอิง Φ ถูกกำหนดโดยการกระทำของแรงซึ่งมีผลรวมเป็นศูนย์เสมอ ก็ต่อเมื่อความเร็วของวัตถุนั้นคงที่ใน Φ นั่นคือ อนุภาคที่อยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ Φ จะเป็นเช่นนั้นต่อไป นอกจากจะถูกแรงกระทำให้เปลี่ยนรูปแบบการเคลื่อนที่นั้น

กฎข้อที่หนึ่งและสองของนิวตันจะใช้ได้เฉพาะในกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น กรอบอ้างอิงที่อยู่ในรูปแบบเดียวกันกับกรอบเฉื่อย เช่น ความเสมอภาคแบบกาลิเลียน หรือหลักการของสัมพัทธภาพแบบนิวโตเนียน

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2

การอธิบายกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองโดยใช้แรงโน้มถ่วงเป็นตัวอย่าง (MIT OCW)

กฎข้อที่สองระบุว่า อัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงกระทำและการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมนี้เกิดขึ้นในทิศทางเดียวกับแรงที่มากระทำต่อวัตถุนั้น

$\mathbf {F} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {p} }{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} (m\mathbf {v} )}{\mathrm {d} t}}$

เมื่อ $\mathbf {F}$ คือ แรงลัพธ์ที่มากระทำต่อวัตถุ $\mathbf {p}$คือโมเมนตัมของวัตถุ $m$ คือ มวลของวัตถุ และ $\mathbf {v}$ คือ ความเร็วของวัตถุ

กฎข้อที่สองสามารถระบุได้ในแง่ของความเร่งของวัตถุ เนื่องจากกฎข้อที่สองนี้ใช้ได้เฉพาะกับระบบที่มวลคงที่เท่านั้น m สามารถนำออกไปนอกตัวดำเนินการอนุพันธ์ได้โดยกฎของค่าคงตัวในอนุพันธ์ ดังนั้น

$\mathbf {F} =m\,{\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}=m\mathbf {a}$

เมื่อ $\mathbf {a}$ คือ ความเร่งของวัตถุ ดังนั้น แรงลัพธ์จึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร่งของวัตถุ กล่าวอีกนัยหนึ่งว่าถ้าวัตถุมีความเร่งแสดงว่ามีแรงกระทำต่อวัตถุอยู่ การประยุกต์ใช้สัญกรณ์นี้เป็นที่มาของ $g_{c}$ (Gc (วิศวกรรม))

กฎข้อนี้สอดคล้องกับกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 1 คือเมื่อแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ โมเมนตัมของวัตถุจะมีค่าคงที่ ซึ่งความสัมพันธ์นี้หมายถึงการอนุรักษ์โมเมนตัม และเมื่อโมเมนตัมเปลี่ยนทิศทาง แม้ว่าขนาดของมันจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง อัตราการเปลี่ยนแปลงต่อเวลาของโมเมนตัมก็จะไม่เป็นศูนย์ เช่นในกรณีที่เป็นการเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ

มวลที่ได้หรือสูญหายโดยระบบจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมที่ไม่ใช่ผลของแรงภายนอก สมการอนุพันธ์จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบมวลแปรผัน (ดูด้านล่าง)

กฎข้อที่สองของนิวตันเป็นค่าประมาณ ซึ่งจะคลาดเคลื่อนมากขึ้นเมื่อวัตถุมีความเร็วสูงขึ้น โดยเฉพาะความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง ซึ่งเป็นผลกระทบเชิงสัมพัทธ์

แรงดล

แรงดล $\mathbf {J}$ เกิดขึ้นเมื่อแรง $\mathbf {F}$ กระทำในช่วงเวลา ${\Delta }t$ ได้จาก

$\mathbf {J} =\int _{\Delta t}\mathbf {F} \,\mathrm {d} t$

เนื่องจากแรงเป็นเปลี่ยนแปลงตามเวลา โมเมนตัมจึงเป็น

$\mathbf {J} =\Delta \mathbf {p} =m\Delta \mathbf {v}$

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดลและโมเมนตัมนี้ใกล้เคียงกับนิยามของนิวตันในกฎข้อที่สอง

แรงดลเป็นแนวคิดที่ใช้บ่อยในการวิเคราะห์การชนและผลกระทบจากการชน

ระบบมวลแปรผัน

บทความหลัก: ระบบมวลแปรผัน

ระบบมวลแปรผัน เช่น เชื้อเพลิงของจรวจที่ถูกเผาไหม้และการปล่อนก๊าซที่ใช่แล้ว ซึ่งไม่ได้อยู่ในระบบปิดจึงทำให้มวลเป็นฟังก์ชันของเวลาในกฎข้อที่สอง นั้นคือสมการต่อไปนี้ผิด

$\mathbf {F} _{\mathrm {net} }={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}{\big [}m(t)\mathbf {v} (t){\big ]}=m(t){\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}+\mathbf {v} (t){\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}\qquad \mathrm {(wrong)}$

เหตุที่สมการนี้ผิด สังเกตได้จากการที่สมการนี้ไม่เป็นไปตามความเสมอภาคแบบกาลิเลียน วัตถุมวลแปรผันที่มี F = 0 ในกรอบอ้างอิงหนึ่ง จะเห็นได้ว่ามี F ≠ 0 ในกรอบอ้างอิงอื่น สมการที่ถูกต้องของการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีมวล m เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาโดยการปล่อยออกไปหรือรับมวลเข้ามา จะได้จากการใช้กฎข้อที่สองกับระบบมวลคงที่ซึ่งประกอบด้วยวัตถุและมวลที่รับหรือปล่อยออกมา ผลลัพธ์คือ

$\mathbf {F} +\mathbf {u} {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=m{\mathrm {d} \mathbf {v} \over \mathrm {d} t}$

โดยที่ $\mathbf {u}$ คือความเร็วของมวลที่ถูกปล่อยออกไปหรือรับเข้ามาเมื่อเทียบกับวัตถุ จากสมการนี้เราจะได้สมการของการเคลื่อนที่ของระบบมวลแปรผัน ตัวอย่างเช่น สมการจรวดซีออลคอฟสกี ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ปริมาณ $\mathbf {u} {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}$ ทางซ้ายของสมการซึ่งแสดงการถ่ายโอนของโมเมนตัม หมายถึงแรง (แรงที่กระทำต่อวัตถุโดยมวลที่เปลี่ยนแปลงเช่นไอเสียจรวด) และรวมอยู่ในปริมาณ $\mathbf {F}$

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3

ภาพประกอบกฎข้อที่สามของนิวตันซึ่งนักสเก็ตสองคนผลักดันกันและกัน ผู้เล่นสเกตบอร์ดคนแรกด้านซ้ายจะมีแรงตั้งฉาก $\mathbf {N} _{12}$ ต่อผู้เล่นสเกตบอร์ดคนที่สอง ในทิศไปทางขวา และผู้เล่นสเกตบอร์ดคนที่สอง มีแรงตั้งฉาก $\mathbf {N} _{21}$ต่อผู้เล่นสเกตบอร์ดคนแรก ขนาดของแรงทั้งสองมีค่าเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม

คำอธิบายของกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามและแรงสัมผัส

กฎข้อที่สามระบุว่า แรงทั้งหมดระหว่างสองวัตถุมีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงกันข้าม ถ้าวัตถุ A ออกแรงกระทำ $\mathbf {F} _{\mathrm {A} }$ กระทำต่อวัตถุ B แล้ว B จะออกแรง $\mathbf {F} _{\mathrm {B} }$ กระทำต่อวัตถุ A พร้อม ๆ กัน และแรงทั้งสองมีค่าเท่ากันและมีทิศทางตรงกันข้าม $\mathbf {F} _{\mathrm {A} }=-\mathbf {F} _{\mathrm {B} }$ กฎข้อที่สามครอบคลุมแรงทั้งหมดที่มีอันตรกิริยาระหว่างวัตถุที่แตกต่างกัน หรือบริเวณที่แตกต่างกันของวัตถุ และชี้ว่าไม่มีแรงที่ไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมกันกับแรงที่มีขนาดเท่ากันและทิศตรงกันข้าม ในบางสถานการณ์ขนาดและทิศทางของแรงจะถูกกำหนดโดยหนึ่งในสองวัตถุกล่าวคือ แรงที่วัตถุ A กระทำต่อวัตถุ B เรียกว่า "การกระทำ" และแรงที่วัตถุ B กระทำต่อวัตถุ A เรียกว่า "ปฏิกิริยา" บางครั้งเราเรียกกฎข้อนี้ว่า กฎของแรงกิริยา - ปฏิกิริยา ซึ่ง $\mathbf {F} _{\mathrm {A} }$ เรียกว่า "แรงกิริยา" และ $\mathbf {F} _{\mathrm {B} }$ เรียกว่า "แรงปฏิกิริยา" ในสถานการณ์อื่น ๆ ขนาดและทิศทางของแรงกำหนดร่วมกันโดยทั้งสองวัตถุและไม่จำเป็นต้องระบุว่าแรงใดเป็น "แรงกิริยา" และอีกนัยหนึ่งเป็น "แรงปฏิกิริยา" แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาเกิดขึ้นพร้อม ๆ กันและไม่สำคัญว่าจะเรียกว่าแรงกิริยาทำอย่างไรและเรียกว่าแรงปฏิกิริยา แรงทั้งสองเป็นส่วนหนึ่งของปฏิสัมพันธ์เดี่ยวและไม่มีแรงอื่นอยู่ด้วย

แรงสองแรงในกฎข้อที่สามของนิวตัน เป็นแรงประเภทเดียวกัน (เช่นถ้าถนนมีแรงเสียดทานมีทิศไปข้างหน้าบนยางรถยนต์ ย่อมมีแรงเสียดทานที่ยางรถยนต์ทำกลับไปบนถนน)

ตัวอย่างของกฎข้อที่สามของนิวตันจะเห็นได้จากสถานการณ์ของคนที่กำลังเดิน: เขาผลักดันกับพื้นและพื้นผลักดันต่อเขา ในทำนองเดียวกันยางของรถยนต์ดันกับถนนในขณะที่ถนนผลักดันกลับไปที่ยาง ในการว่ายน้ำคนจะมีปฏิสัมพันธ์กับน้ำและผลักดันน้ำให้ถอยหลังขณะที่น้ำดันคนไปข้างหน้าทั้งคนและน้ำโดยดันกันและกัน แรงปฏิกิริยาแสดงการเคลื่อนที่ในตัวอย่างเหล่านี้ แรงในตัวอย่างเหล่านี้ขึ้นอยู่กับแรงเสียดทาน ตัวอย่างเช่นคนหรือรถบนน้ำแข็งอาจไม่สามารถออกแรงกระทำเพื่อสร้างแรงปฏิกิริยาได้

ประวัติ

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 1

จากหนังสือ Principia ต้นฉบับภาษาละติน ของนิวตัน

Lex I: Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.

แปลเป็นภาษาไทยได้ว่า

กฎข้อที่ 1: ทุกวัตถุจะอยู่ในสถานะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างสม่ำเสมอ เว้นแต่มีแรงมากระทำให้สถานะนั้นเปลี่ยนไป

อาริสโตเติล นักปราชญ์กรีกโบราณ มีมุมมองที่ว่าวัตถุทั้งหลายมีที่อยู่ของมันตามธรรมชาติในจักรวาล คือวัตถุที่หนัก (เช่น หิน) จะอยู่นิ่งบนพื้นโลก และวัตถุที่เบาเหมือนควันจะลอยนิ่งอยู่บนท้องฟ้า และดาวฤกษ์จะอยู่บนสวรรค์ เขาคิดว่าวัตถุอยู่ในสภาพธรรมชาติของมันเมื่อมันอยู่นิ่ง และสำหรับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ จำเป็นต้องมีแรงภายนอกเพื่อทำให้มันเคลื่อนที่หรือหยุดเคลื่อนที่ ต่อมา กาลิเลโอ กาลิเลอี ตระหนักว่าแรงเป็นสิ่งจำเป็นในการเปลี่ยนความเร็วของวัตถุ เช่น ความเร่ง แต่ไม่จำเป็นต้องใช้แรงเพื่อรักษาความเร็วของมัน ในอีกนัยหนึ่งกาลิเลโอกล่าวตรงข้ามกับอาริสโตเติลว่าในกรณีที่ ไม่มี แรงวัตถุเคลื่อนที่จะเคลื่อนที่ต่อไป (การที่วัตถุต่อต้านการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่คือสิ่งที่โยฮันเนส เคปเลอร์เรียกว่า ความเฉื่อย) แนวคิดนี้ได้รับการกลั่นกรองโดยนิวตัน ซึ่งทำให้มันกลายเป็นกฎข้อแรกของเขาหรือที่เรียกว่า "กฎของความเฉื่อย" หมายความว่าถ้าไม่มีแรง จะไม่มีความเร่ง และด้วยเหตุนี้วัตถุจะรักษาความเร็วไว้ได้ เนื่องจากกฎข้อแรกของนิวตัน เป็นการปรับปรุงกฎของความเฉื่อยที่กาลิเลโอ ได้อธิบายไว้ก่อนแล้วดังนั้นนิวตันจึงให้เครดิตกับกาลิเลโอ

กฎของความเฉื่อยนี้เกิดขึ้นในความคิดของนักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์หลายคนรวมถึง โทมัส ฮอบส์ ซึ่งกล่าวไว้ในหนังสือเลวีอาธาน ด้วย เรอเน เดการ์ต นักปรัชญาและนักคณิตศาสตร์ แห่งศตวรรษที่ 17 ได้กำหนดกฎไว้เช่นเดียวกัน แม้ว่าเขาจะไม่ได้ทำการทดลองใด ๆ เพื่อยืนยัน

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2

จากหนังสือ Principia ต้นฉบับภาษาละติน ของนิวตัน

Lex II: Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.

แปลเป็นภาษาไทยได้ว่า

กฎข้อที่ 2: การเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงกระทำ และมีทิศทางเดียวกับแรงที่มากระทำในทิศทางที่เป็นเส้นตรงเดียวกัน

เทียบเท่ากับคำศัพท์ปัจจุบันว่า

การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุเป็นสัดส่วนของแรงดลที่กระทำต่อวัตถุและเกิดขึ้นในแนวเส้นตรงเดียวกันกับที่แรงดลนั้นกระทำ

นี่อาจเป็นสูตรสำหรับโมเมนตัม $\mathrm {F} =\mathrm {p} ^{\prime }$ เมื่อ $\mathrm {p} ^{\prime }$ เป็นอนุพันธ์ของโมเมนตัมเทียบกับเวลา สมการนี้ถูกจัดแสดงไว้ในห้องสมุดเรน เคมบริดจ์ ของ วิทยาลัยทรินิตี มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในครอบแก้วซึ่งมีต้นฉบับของนิวตันเปิดอยู่ในหน้าที่เกี่ยวข้อง

ฉบับแปลของ Andrew Motte ในปี 1729 ซึ่งแปลจากฉบับภาษาละตินของนิวตัน มีการให้คำนิยามของกฎข้อที่สองไว้ว่า

If a force generates a motion, a double force will generate double the motion, a triple force triple the motion, whether that force be impressed altogether and at once, or gradually and successively. And this motion (being always directed the same way with the generating force), if the body moved before, is added to or subtracted from the former motion, according as they directly conspire with or are directly contrary to each other; or obliquely joined, when they are oblique, so as to produce a new motion compounded from the determination of both.

แปลเป็นภาษาไทยว่า

ถ้าแรงหนึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่หนึ่ง แรงที่เป็นสองเท่าจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นสองเท่า และแรงที่เป็นสามเท่าก็จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่สามเท่า ไม่ว่าแรงนั้นจะกระทำอย่างทันทีในจังหวะเดียว หรือกระทำอย่างค่อย ๆ ทีละน้อย และการเคลื่อนที่นี้ (ซึ่งมีทิศทางเดียวกับแรงที่สร้างมันเสมอ) ในกรณีที่วัตถุมีการเคลื่อนที่อยู่แล้วก่อนหน้า ก็จะบวกเข้าหรือลบออกจากการเคลื่อนที่ก่อนหน้านั้น ขึ้นกับว่าทิศทางของการเคลื่อนที่ทั้งสองนั้นชี้ไปทางเดียวกัน หรือตรงข้ามกันพอดี หรือทำมุม นำไปสู่การเคลื่อนที่ใหม่ที่เป็นผลลัพธ์จากการเคลื่อนที่ทั้งสองนั้น

ลักษณะของการใช้คำศัพท์และความเข้าใจที่นิวตันมีต่อกฎข้อที่สอง รวมถึงความตั้งใจที่จะให้ผู้อื่นตีความกฎ เป็นที่ถกเถียงกันอย่างกว้างขวางโดยนักประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ พร้อมกับความสัมพันธ์ระหว่างสูตรของนิวตันกับสูตรสมัยใหม่

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3

Lex III: Actioni contrariam semper et æqualem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse æquales et in partes contrarias dirigi.

แปลเป็นภาษาไทยได้ว่า

กฎข้อที่ 3: สำหรับการกระทำใด ๆ จะมีการกระทำตรงกันข้ามที่เท่ากันเสมอ: หรือก็คือ การกระทำระหว่างวัตถุ 2 ชิ้นใด ๆ ต่อกันและกันมีขนาดเท่ากันเสมอ และกระทำต่อส่วนที่ตรงกันข้ามกัน

ส่วนขยายความของนิวตันต่อกฎนี้กล่าวว่า:

Whatever draws or presses another is as much drawn or pressed by that other. If you press a stone with your finger, the finger is also pressed by the stone. If a horse draws a stone tied to a rope, the horse (if I may so say) will be equally drawn back towards the stone: for the distended rope, by the same endeavour to relax or unbend itself, will draw the horse as much towards the stone, as it does the stone towards the horse, and will obstruct the progress of the one as much as it advances that of the other. If a body impinges upon another, and by its force changes the motion of the other, that body also (because of the equality of the mutual pressure) will undergo an equal change, in its own motion, toward the contrary part. The changes made by these actions are equal, not in the velocities but in the motions of the bodies; that is to say, if the bodies are not hindered by any other impediments. For, as the motions are equally changed, the changes of the velocities made toward contrary parts are reciprocally proportional to the bodies. This law takes place also in attractions, as will be proved in the next scholium.

แปลเป็นภาษาไทยได้ว่า

อะไรก็ตามที่ดึงหรือผลักอะไรอีกอย่าง จะถูกดึงหรือผลักโดยอะไรอีกอย่างนั้นเท่า ๆ กัน ถ้าท่านกดก้อนหินด้วยนิ้วมือ นิ้วมือก็จะถูกก้อนหินกดเช่นเดียวกัน ถ้าม้าตัวหนึ่งดึงเชือกที่ผูกกับหิน ม้าตัวนั้น (ถ้าข้าพเจ้าสามารถพูดเช่นนี้ได้) ก็จะถูกเชือกดึงกลับไปหาก้อนหินเท่ากัน: เนื่องจากเชือกนั้น ในความพยายามที่จะผ่อนคลายตนเองหรือทำให้ตนเองตรง ก็จะดึงม้ากลับมายังหิน เท่ากับที่มันดึงหินไปยังม้า และก็จะขัดขวางการเคลื่อนที่ของอย่างหนึ่งเท่ากับที่มันสนับสนุนอีกอย่าง ถ้าวัตถุชิ้นหนึ่งกดวัตถุอีกชิ้น และออกแรงทำให้วัตถุนั้นเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ไป (เนื่องมาจากความเท่ากันของความดันที่กระทำต่อกันและกัน) ตัวมันเองก็จะถูกเปลี่ยนแปลงไปในขนาดเท่ากันและทิศทางตรงข้าม ความเปลี่ยนแปลงที่เท่ากันนี้มิใช่เท่าในแง่ของความเร็ว แต่เท่ากันในปริมาณการเคลื่อนที่ นั่นคือ ถ้าวัตถุเหล่านั้นไม่ถูกสิ่งกีดขวางอะไรกระทำอีก ความเท่ากันของการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ก็จะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงความเร็วที่แปรผกผันกับวัตถุ กฎข้อนี้ยังเป็นจริงกับแรงดึงดูด ดังจะพิสูจน์ในส่วนขยายถัดไป

โดยที่คำว่า การเคลื่อนที่ เป็นชื่อที่นิวตันใช้เรียกโมเมนตัม จึงเป็นสาเหตุที่นิวตันระมัดระวังในการแยกแยะระหว่างการเคลื่อนที่และความเร็ว

นิวตันใช้กฎข้อที่สามในการพิสูจน์กฎอนุรักษ์โมเมนตัม แต่จากมุมมองที่ลึกกว่าในปัจจุบัน กฎอนุรักษ์โมเมนตัมเป็นแนวคิดที่เป็นพื้นฐานมากกว่า (โดยเป็นผลจากทฤษฎีบทของเนอเทอร์ และ ความเสมอภาคแบบกาลิเลียน) และเป็นจริงในกรณีที่กฎข้อที่สามไม่เป็นจริง เช่น ในกรณีที่สนามพลังสามารถนำพาโมเมนตัมได้เหมือนอนุภาค และในกลศาสตร์ควอนตัม

ความสำคัญและช่วงของความถูกต้อง

กฎของนิวตันถูกตรวจสอบได้โดยการทดลองมาเป็นเวลากว่า 200 ปี ว่าใช้ได้อย่างยอดเยี่ยมสำหรับช่วงขนาดและความเร็วของชีวิตประจำวัน กฎเหล่านี้ร่วมกับกฎความโน้มถ่วงสากลและแคลคูลัส นำไปสู่คำอธิบายปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ในเชิงปริมาณอย่างหลากหลายเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของวิชาวิทยาศาสตร์

กฎทั้งสามข้อนี้เป็นการประมาณที่ดีมากสำหรับสภาพแวดล้อมในชีวิตประจำวัน อย่างไรก็ตามกฎของนิวตัน (รวมถึงความโน้มถ่วงสากลและพลศาสตร์ไฟฟ้าดั้งเดิม) ไม่สามารถใช้ได้ในบางสถานการณ์ โดยเฉพาะในช่วงขนาดที่เล็กมาก ๆ ช่วงความเร็วที่สูงมาก ๆ (ซึ่งในสัมพัทธภาพพิเศษจะต้องเพิ่มตัวคูณลอเรนซ์ในสูตรของโมเมนตัม มวลนิ่ง และความเร็ว) หรือสนามโน้มถ่วงกำลังสูงมาก ๆ ดังนั้นกฎเหล่านี้จึงไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์เช่นการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ สมบัติทางทัศนศาสตร์ของสสาร ความผิดพลาดของระบบจีพีเอสที่ไม่คำนึงถึงสัมพัทธภาพ และสภาพนำยวดยิ่ง ซึ่งการอธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้ต้องการทฤษฎีที่ซับซ้อนขึ้น เช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทฤษฎีสนามควอนตัม เป็นต้น

ในกลศาสตร์ควอนตัม แนวคิดอย่างแรง โมเมนตัม และตำแหน่ง จะถูกนิยามโดยใช้ตัวดำเนินการเชิงเส้นซึ่งกระทำกับสถานะควอนตัม: ในช่วงความเร็วต่ำ ๆ กฎของนิวตันจะตรงกับตัวดำเนินการเหล่านี้สำหรับวัตถุทั่วไป แต่เมื่อความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสงจะไม่ตรง โดยกฎข้อที่สองจะเป็นจริงเฉพาะในรูป F = dp/dt เมื่อ F และ p เป็นเวกเตอร์สี่มิติ

ความสัมพันธ์กับกฎการอนุรักษ์

ในฟิสิกส์ปัจจุบัน กฎอนุรักษ์โมเมนตัม พลังงาน และโมเมนตัมเชิงมุม มีความถูกต้องอย่างกว้างขวางกว่ากฎของนิวตัน เนื่องจากครอบคลุมทั้งแสงและสสาร และทั้งกลศาสตร์ดั้งเดิมกับกลศาสตร์สมัยใหม่

เนื่องจากแรงเป็นอนุพันธ์เทียบเวลาของโมเมนตัม แนวคิดของแรงจึงเป็นผลมาจากกฎอนุรักษ์โมเมนตัม และไม่จำเป็นต่อทฤษฎีพื้นฐาน (กลศาสตร์ควอนตัม พลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม สัมพัทธภาพทั่วไป ฯลฯ) แบบจำลองมาตรฐานอธิบายแรงพื้นฐานสามแรงที่เรียกว่าแรงเกจ ว่ากำเนิดมาจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคเสมือน ส่วนแรงอื่น ๆ เช่นแรงโน้มถ่วงและแรงดันดีเจเนอเรซีของเฟอร์มิออนก็มาจากการอนุรักษ์โมเมนตัม โดยการอนุรักษ์โมเมนตัมสี่มิติในการเคลื่อนที่เฉื่อยผ่านกาล-อวกาศที่โค้งงอ นำไปสู่สิ่งที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วงในสัมพัทธภาพทั่วไป และการใช้อนุพันธ์เทียบตำแหน่ง (ซึ่งตรงกับตัวดำเนินการโมเมนตัมในกลศาสตร์ควอนตัม) กับฟังก์ชันคลื่นของคู่เฟอร์มิออนก็นำไปสู่การขยับตัวของจุดสูงสุดแยกออกจากกัน ซึ่งสังเกตได้เป็นการ "ผลักกัน" ของเฟอร์มิออน

นิวตันตั้งกฎข้อสามไว้ภายใต้มุมมองที่เชื่อว่าการกระทำระหว่างอนุภาคเกิดในทันที ซึ่งในวิชาฟิสิกส์ปัจจุบันไม่มีการกระทำที่ทันทีทันใดเช่นนี้ เว้นแต่ผลกระทบบางประการจากควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์ (ตามทฤษฎีบทของเบลล์) อย่างไรก็ตามแนวคิดของการกระทำอย่างทันทีนี้ก็ยังใกล้เคียงความจริงมากพอที่จะใช้ประโยชน์ในวิศวกรรมศาสตร์

การค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์โดยคาร์โนในศตวรรษที่ 19 แสดงว่ามีปริมาณทางฟิสิกส์ที่ไม่คงที่ในเวลา แสดงว่าแนวคิด "สถานะคงตัว" ที่เป็นไปตามกฎของนิวตันและกฎอนุรักษ์เท่านั้นขาดการคำนึงถึงเอนโทรปี

ดูเพิ่ม

• กฎการเคลื่อนที่ของออยเลอร์
• กลศาสตร์แฮมิลตัน
• กลศาสตร์แบบลากรางจ์
• รายชื่อกฎหมายทางวิทยาศาสตร์ที่ตั้งชื่อตามบุคคล
• รายชื่อกฎหมายทางวิทยาศาสตร์ที่ตั้งชื่อตามบุคคล
• กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน
• หลักการเปลี่ยนแปลงที่น้อยที่สุด
• แรงปฏิกิริยา (ฟิสิกส์)
• ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

อ่านเพิ่ม

• Chakrabarty, Deepto; Dourmashkin, Peter; Tomasik, Michelle; Frebel, Anna; Vuletic, Vladan (2016). "Classical Mechanics". MIT OpenCourseWare. สืบค้นเมื่อ 2022-01-17.
• Thomson, W.; Tait, P. G. (1867). "242, Newton's laws of motion". Treatise on natural philosophy. Vol. 1.