กองกำลังคืออะไร? (ฟิสิกส์)

ในขณะที่คุณน่าจะคุ้นเคยกับคำว่า "แรง" และเคยได้ยินคำนี้ในบทสนทนาในชีวิตประจำวัน ("ฉันไม่มีทางเลือก – เขาบังคับให้ฉันทำ!") คุณรู้นิยามฟิสิกส์ของแรงไหม

ในบทความนี้ คุณจะได้เรียนรู้ไม่เพียงแค่ว่าจริง ๆ แล้วแรงคืออะไร แต่แนวคิดมาจากไหนและนำไปใช้ในทางฟิสิกส์อย่างไร

เพื่อให้ได้แนวคิดทางฟิสิกส์ที่ถูกต้องในการทำความเข้าใจกองกำลัง ให้นึกถึงสิ่งที่คุณรู้เกี่ยวกับ การเคลื่อนไหว. คุณสามารถอธิบายตำแหน่งของวัตถุ (ตำแหน่งในอวกาศ) และคุณสามารถอธิบายได้ว่าตำแหน่งนั้นเปลี่ยนแปลงอย่างไรในเวลา อัตราการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งต่อหน่วยเวลาคือความเร็ว. คุณยังสามารถอธิบายได้ว่าความเร็วนั้นเปลี่ยนแปลงอย่างไร – เรียกว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของความเร็วต่อหน่วยเวลาอัตราเร่ง​.

ปริมาณทางกายภาพเหล่านี้ – ตำแหน่ง ความเร็ว และความเร่ง – เป็นทั้งหมด ปริมาณเวกเตอร์หมายความว่ามีขนาดและทิศทางที่เกี่ยวข้องกับพวกเขา

หากวัตถุอยู่นิ่ง เช่น หินที่วางอยู่บนทางเท้า คุณก็ค่อนข้างมั่นใจว่ามันจะอยู่ที่นั่นจนกว่าจะมีบางอย่างทำให้มันเคลื่อนที่ ไม่ว่าใครก็ตามที่เดินไปตามทางเท้าจะเตะมัน หรือบางทีก้อนหินนั้นเบาพอที่จะถูกลมแรงพัดผลัก เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น การเคลื่อนไหวของมันจะเปลี่ยนไป ปริมาณทางกายภาพที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้ดังที่เราจะเรียนรู้คือแรง

คุณอาจมีความรู้สึกบางอย่างที่วัตถุบางอย่างเคลื่อนไหวได้ยากกว่าวัตถุอื่นๆ ลองนึกภาพก้อนกรวดเล็กๆ เทียบกับก้อนหินก้อนใหญ่ คุณจะต้องเตะก้อนหินให้หนักขึ้นมากเพื่อที่จะให้มันเคลื่อนไหว ในทำนองเดียวกัน หากวัตถุสองชิ้น - วัตถุเบาและวัตถุหนัก - เคลื่อนไหวอยู่แล้ว จะทำให้วัตถุที่หนักกว่าหยุดนิ่งได้ยากกว่ามาก

ความต้านทานของวัตถุต่อการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในการเคลื่อนที่เรียกว่า ความเฉื่อย. การเปลี่ยนแปลงบางอย่างต้องใช้แรงมากน้อยเพียงใดจะสัมพันธ์กับมวล ซึ่งเป็นหน่วยวัดความเฉื่อย

แนวคิดเรื่องแรงมีมาช้านานแล้ว แต่ส่วนใหญ่ไม่เข้าใจดีนักเนื่องจากการตีความความเสียดทานผิดๆ

อริสโตเติลเสนอว่าวัตถุทั้งหมดมีสภาพธรรมชาติที่พวกเขาต้องการพัก และจะทำเช่นนั้นเว้นแต่จะมีแรงกระทำ เขาใช้แนวคิดนี้เพื่ออธิบายว่าเหตุใดวัตถุจึงตกลงสู่พื้นโลก หรือหยุดนิ่งหลังจากถูกผลัก

อย่างไรก็ตาม กาลิเลโอได้หักล้างแนวคิดนี้และอธิบายการมีอยู่ของแรงหยุดที่เรียกว่าแรงเสียดทาน เขาตัดสินใจว่าวัตถุจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงต่อไปหากไม่มีแรงเสียดทานเพื่อทำให้วัตถุช้าลง

เซอร์ไอแซก นิวตัน ได้ขยายความอย่างเป็นทางการให้กับข้อสังเกตของกาลิเลโอกับชื่อเสียงของเขา กฎการเคลื่อนที่สามข้อ. เขาสามารถอธิบายสิ่งที่กองกำลังทำ วิธีที่พวกมันกระทำ และแม้กระทั่งกำหนดตัวเลขด้วยหน่วยของแนวคิด

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน ซึ่งบางครั้งเรียกว่ากฎความเฉื่อย ระบุว่าวัตถุที่อยู่นิ่งจะยังคงอยู่ในสถานะหยุดนิ่ง เว้นแต่จะมีแรงที่ไม่สมดุลมากระทำกับวัตถุนั้น ส่วนนี้ค่อนข้างเข้าใจง่ายเมื่อคุณนึกถึงการเตะก้อนหินบนทางเท้า นอกจากนี้ กฎหมายนี้ระบุว่าวัตถุใดๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ (เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในเส้นทางเส้นตรง) จะยังคงทำเช่นนั้นต่อไป เว้นแต่จะถูกกระทำโดยแรงภายนอกสุทธิ

ส่วนที่สองของกฎข้อที่หนึ่งนั้นใช้สัญชาตญาณน้อยกว่าเพราะในการโต้ตอบประจำวันของเรา วัตถุมักจะไม่เคลื่อนที่ตลอดไป แต่นั่นเป็นเพราะพวกเขาถูกกระทำโดยแรงต้านทานที่เรียกว่าแรงเสียดทาน

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตันระบุว่าแรงสุทธิบนวัตถุ (ซึ่งเป็นผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำ) เท่ากับผลคูณของวัตถุ มวล และการเร่งความเร็ว กล่าวอีกนัยหนึ่ง:

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตันสามารถอธิบายได้ว่าทำไมคุณต้องผลักของหนักให้หนักกว่าที่คุณทำกับวัตถุที่เบากว่าเพื่อให้พวกมันเปลี่ยนการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับแรงอย่างเป็นทางการกับปริมาณความเร่งทางกายภาพ ซึ่งก็คือการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่ของวัตถุ

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตันอธิบายเพิ่มเติมว่าแรงมาเป็นคู่อย่างไร มันระบุว่าถ้าวัตถุ A ใช้แรงกับวัตถุ B จากนั้นวัตถุ B จะใช้แรงกับวัตถุ A ที่มีขนาดเท่ากันและในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงบนวัตถุ B

กฎข้อที่สามของนิวตันอธิบายว่าเหตุใดปืนจึงหดตัวเมื่อถูกยิง และเพราะเหตุใด หากคุณยืนบนสเกตบอร์ดแล้วชนกำแพง คุณก็จะถอยหลังกลับ

แรงสามารถคิดได้ว่าเป็นการผลักหรือดึง หากแรงเพียงอันเดียวกระทำต่อวัตถุ แรงเดียวนั้นจะทำให้การเคลื่อนที่ของวัตถุเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนผกผันกับมวลของมัน

แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ หมายความว่ามีทั้งขนาดและทิศทาง ทิศทางของแรงสุทธิจะเหมือนกับทิศทางความเร่งหรือการเปลี่ยนแปลงของ. เสมอ การเคลื่อนไหว (ซึ่งอาจอยู่ตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ในสถานการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่ช้าลง ลง.)

หน่วยแรง SI คือนิวตัน โดยที่ 1 N = 1 kgm/s². หน่วย CGS คือ dyne โดยที่ 1 dyne = 1gcm/s².

คุณรู้อยู่แล้วว่าคุณสามารถออกแรงกับวัตถุด้วยตัวเองโดยการผลักหรือดึงมัน นี้เรียกว่าแรงสัมผัสเพราะต้องมีการติดต่อ แต่ก็มีแรงประเภทอื่นๆ อีกมากเช่นกัน

รายชื่อกองกำลังทั่วไปที่คุณพบเมื่อเรียนฟิสิกส์ ได้แก่ :

• ​แรงโน้มถ่วง: แรงโน้มถ่วง บนวัตถุสามารถสังเกตได้ระหว่างการเคลื่อนที่อย่างอิสระ ซึ่งวัตถุจะเร่งเข้าหาพื้น แต่แรงโน้มถ่วงก็เป็นสิ่งที่ช่วยให้ดาวเคราะห์อยู่ในวงโคจร และสิ่งที่ทำให้คุณไม่บินออกไปในอวกาศ
• ​แรงปกติ:นี่คือแรงสนับสนุนที่กระทำในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวและเป็นสิ่งที่ป้องกันไม่ให้วัตถุตกลงไปบนพื้นหรือบนโต๊ะ
• ​แรงแม่เหล็กไฟฟ้า:หมายถึงแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าสถิตโดยรวม แรงประเภทนี้เป็นผลมาจากประจุหรือประจุเคลื่อนที่ เป็นสาเหตุที่ทำให้อิเล็กตรอนผลักกันและแม่เหล็กเกาะติดกัน
• ​แรงเสียดทาน: แรงเสียดทาน เป็นแรงที่ต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ เป็นสาเหตุที่ทำให้การเลื่อนหนังสือข้ามโต๊ะยากกว่าการสไลด์หนังสือบนแผ่นน้ำแข็ง แรงเสียดทานจะแตกต่างกันไปตามพื้นผิวที่สัมผัสกัน
• ​ความต้านทานอากาศ:แรงนี้คล้ายกับแรงเสียดทาน มันเป็นผลมาจากอากาศที่ต่อต้านการเคลื่อนไหวของวัตถุที่ตกลงมา หากวัตถุตกลงมาเป็นเวลานานพอ แรงต้านอากาศจะทำให้วัตถุนั้นบรรลุความเร็วปลาย
• ​แรงดึง:นี่เป็นแรงประเภทหนึ่งที่เคลื่อนไปตามเชือก ลวด หรืออะไรก็ตามที่คล้ายกัน
• ​กองกำลังพื้นฐานอื่นๆ:พลังพื้นฐานของธรรมชาติมีอยู่ 4 ประการ สองอย่างคือแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งได้ระบุไว้แล้ว และอีกสองอย่างคือแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนและแรงนิวเคลียร์แบบแรง โดยทั่วไปแล้วสองรายการสุดท้ายนี้จะมีผลกับสิ่งต่าง ๆ ในระดับต่ำกว่าอะตอมเท่านั้น ซึ่งเป็นสาเหตุที่คุณอาจไม่เคยได้ยินชื่อเหล่านี้มาก่อน

กฎข้อที่สองของนิวตันกล่าวถึง a แรงสุทธิ. แรงสุทธิต่อวัตถุคือผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ

ตัวอย่างเช่น คุณสามารถให้คนสองคนผลักบล็อกในทิศทางตรงกันข้ามด้วยแรงเท่ากัน แต่แรงสุทธิกลับกลายเป็น 0 ซึ่งหมายความว่าบล็อกไม่เคลื่อนที่เพราะแรงทั้งสองนั้นหักล้างกัน

แผนภาพร่างกายอิสระเป็นภาพร่างที่คุณสามารถวาดเพื่อระบุขนาดและทิศทางของเวกเตอร์แรงแต่ละตัวบนวัตถุด้วยลูกศรความยาวตามสัดส่วนที่ชี้ไปในทิศทางของแรง เมื่อแก้ปัญหาฟิสิกส์เกี่ยวกับแรง คุณน่าจะร่างไดอะแกรมเหล่านี้จำนวนมากเพราะว่า ช่วยให้เห็นภาพว่ากองกำลังใดกำลังกระทำและทำให้ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าจะรวมแรงเข้าด้วยกันอย่างไรเพื่อให้ได้ตาข่าย บังคับ.

หากไม่มีแรงสุทธิบนวัตถุ หมายความว่าโดยกฎข้อที่สองของนิวตัน ความเร่งของวัตถุเป็น 0 กล่าวอีกนัยหนึ่ง วัตถุต้องมีความเร็วคงที่

• โปรดทราบว่าความเร็วคงที่ไม่เหมือนกับความเร็ว 0 ตัวอย่างเช่น วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยค่าคงที่ 2 เมตร/วินาที ไม่จำเป็นต้องมีแรงสุทธิกระทำต่อวัตถุนั้น

คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับแรงที่เรียกว่าแรงสู่ศูนย์กลาง นี้ไม่ได้ระบุไว้กับแรงอื่น ๆ ในส่วนก่อนหน้านี้เนื่องจากเป็นชนิดของแรงสุทธิ เป็นแรงสุทธิในแนวรัศมีของวัตถุใดๆ ที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม

การเคลื่อนที่แบบวงกลมแม้ที่ความเร็วคงที่ไม่ใช่การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เพราะไม่รักษาเส้นทางเส้นตรง การรวมกันของแรงบางอย่างต้องกระทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงกลม แรงสู่ศูนย์กลางคือแรงสุทธิในแนวรัศมีที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ประเภทนี้

• อย่าสับสนระหว่างแรงสู่ศูนย์กลางกับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง อันหลังนี้ถือว่าเป็นแรงหลอก เป็นแรงที่ดูเหมือนว่าจะกระทำกับวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณอยู่ในรถที่เลี้ยวเข้าโค้ง คุณอาจรู้สึกเหมือนถูกกดทับ กับด้านข้างของรถ แต่สิ่งที่เกิดขึ้นจริงคือมีแรงดึงคุณเข้าสู่ a เส้นทางโค้ง

กองกำลังบางอย่างดูเหมือนจะกระทำการอย่างลึกลับโดยไม่ต้องสัมผัส ตัวอย่างหนึ่งที่คุณคุ้นเคยคือแรงโน้มถ่วง เมื่อวัตถุหล่นลงมา โลกจะดึงวัตถุนั้นเข้าหามันโดยไม่แม้แต่จะสัมผัสมัน

เครื่องมือทางคณิตศาสตร์อย่างหนึ่งที่นักฟิสิกส์พัฒนาขึ้นเพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้คือแนวคิดของสนาม (ใช่ “สนามพลัง” แต่ไม่ใช่ประเภทที่ปกป้องคุณจากตอร์ปิโดโฟตอน!)

สนามโน้มถ่วงคือการมอบหมายไปยังแต่ละจุดในอวกาศซึ่งเป็นเวกเตอร์ที่ระบุขนาดสัมพัทธ์และ ทิศทางของแรงโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งนั้นโดยไม่ขึ้นกับว่าวัตถุใดอาจประสบกับแรงโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งนั้น สถานที่ ค่าของสนามโน้มถ่วง ณ จุดใดจุดหนึ่งก็เป็นเพียงแรงโน้มถ่วงที่มวลสัมผัสได้มที่สถานที่นั้นแต่หารด้วยม​.

แนวคิดเรื่องสนามพลังช่วยให้สามารถอธิบายกองกำลัง "ลึกลับ" เหล่านี้ที่ดูเหมือนจะกระทำได้ โดยไม่สัมผัสสิ่งใด โดยอธิบายแรงที่เกิดจากวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กับ สนาม

เช่นเดียวกับสนามโน้มถ่วง คุณยังสามารถมีสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กที่อธิบาย แรงสัมพัทธ์ต่อหน่วยประจุหรือ (แรงต่อหน่วยโมเมนต์แม่เหล็ก) ที่วัตถุจะรู้สึกเป็นพิเศษ สถานที่