กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันโต้ตอบกับเทนนิสอย่างไร?

เมื่อคุณดูเทนนิสหรือกีฬาอื่นๆ คุณกำลังดูการสาธิตฟิสิกส์ เพียงแค่เชียร์มากกว่าการทดลองฟิสิกส์ทั่วไป ศูนย์กลางของการดำเนินการคือกฎการเคลื่อนที่สามข้อที่อธิบายไว้ในปี 1687 โดยเซอร์ไอแซก นิวตัน แชมป์แกรนด์สแลมแห่งวิทยาศาสตร์ก่อนยุคอุตสาหกรรม ในหลาย ๆ ด้าน การแข่งขันเทนนิสเป็นการทดสอบว่าผู้เล่นคนไหนที่ใช้กฎของนิวตันให้เกิดผลสูงสุด

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตันมักเรียกว่ากฎความเฉื่อย: วัตถุที่อยู่ในสถานะการเคลื่อนที่สม่ำเสมอจะยังคงอยู่ในนั้น การเคลื่อนไหวเว้นแต่จะพบกับแรงภายนอกและวัตถุที่อยู่นิ่งจะยังคงนิ่งเว้นแต่จะถูกกระทำโดยภายนอก บังคับ. กฎข้อที่สองของนิวตันกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างมวลของวัตถุ แรงที่ใช้กับวัตถุ และความเร่งที่เป็นผล: แรงเท่ากับมวลคูณความเร่ง หรือ F=ma กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของนิวตันอาจเป็นกฎที่คนส่วนใหญ่คุ้นเคยกันดีอยู่แล้ว หากเพียงเพราะพวกเขาเห็นกฎนี้ถูกยกมาบ่อยๆ: สำหรับทุกการกระทำย่อมมีปฏิกิริยาที่เท่าเทียมกันและตรงกันข้าม

ในวงการเทนนิส ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันคือเส้นทางของลูกบอล เมื่อคุณตีลูกบอลด้วยแร็กเกต แร็กเกตจะพุ่งออกไปในทิศทางที่แน่นอน หากคุณกำลังเล่นเกมในสุญญากาศของอวกาศอวกาศ ปีแสงจากร่างกายที่สร้างแรงโน้มถ่วงใดๆ ลูกบอลจะดำเนินต่อไปในทิศทางนั้นไม่มากก็น้อยเพราะไม่มีแรงภายนอกที่จะกระทำต่อ มัน. อย่างไรก็ตาม บนโลกมีกำลังสำคัญสองอย่างที่ทำงาน: แรงต้านของอากาศทำให้ความเร็วของลูกบอลช้าลง และแรงโน้มถ่วงดึงลูกบอลไปที่พื้น

เมื่อคุณตีลูกเทนนิสด้วยแร็กเก็ตของคุณ - ในอวกาศหรือบนโลก - คุณใช้กำลังกับมัน แรงแค่ไหน? นั่นคือที่มาของกฎข้อที่สองของนิวตัน: แรงเท่ากับมวลคูณความเร่ง ในสมการนี้ มวลถูกวัดเป็นกิโลกรัมและความเร่งในหน่วยที่เรียกว่า "เมตรต่อวินาทีต่อวินาที" การเร่งความเร็วไม่เหมือนกับความเร็ว ค่อนข้างจะเป็นอัตราที่บางสิ่งกำลังเร่งขึ้น ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 เมตรต่อวินาที หรือ "m/s" และวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 วินาทีต่อมาจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 2 เมตรต่อวินาที วัตถุนั้นก็จะเร่งความเร็วขึ้น 1 เมตร/วินาทีในหนึ่งวินาทีนั้น -- 1 เมตรต่อวินาทีต่อวินาที

กลับไปที่ลูกเทนนิสที่คุณตี ลูกเทนนิสมีน้ำหนักประมาณ 56 ก. หรือ 0.056 กก. และสมมุติว่าคุณใส่ zing ลงบนลูกบอลมากพอที่หนึ่งในสิบของวินาทีหลังจากที่คุณตี มันถึง 100 ไมล์ต่อชั่วโมง หรือ 44.7 เมตรต่อวินาที นั่นคืออัตราเร่ง 447 เมตรต่อวินาทีต่อวินาที หรือ m/s/s คูณ 0.056 กก. คูณ 447 m/s/s แล้วคุณจะได้ 25.032 แต่ 25.032 ของอะไร? แรงถูกวัดเป็นหน่วยที่เรียกว่า นิวตัน นั่นเอง คุณตีลูกบอลด้วยแรง 25.032 นิวตัน เสิร์ฟที่ดี

คุณเสิร์ฟลูกบอล คู่แข่งของคุณส่งลูกเสิร์ฟ และคุณกลับไปวอลเลย์ของเธอ คุณวางเท้าของคุณบนพื้นและผลักออก คุณดันไปในทิศทางเดียว - ทำมุมหนึ่งกับพื้น - และร่างกายของคุณไปในทิศทางตรงกันข้ามในมุมที่ห่างจากพื้นดิน แรงที่คุณผลักลงสู่พื้นคือแรงที่คุณผลักไปข้างหน้า นั่นคือการกระทำและปฏิกิริยา คุณคือกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน กำลังเคลื่อนที่