5.2 กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน และกรอบเฉื่อย

      เรามาเริ่มต้นการศึกษาของแรง โดยลองจินตนาการสถานการณ์ฟิสิกส์บางอย่าง ยกตัวอย่างเช่น เด็กกำลังเล่นฮอกกี้อากาศรูปด้านล่าง

รูปโต๊ะฮอกกี้อากาศที่ปล่อมลมออกมาจากรูบนพื้นผิวโต๊ะทำให้ลูกฮอกกี้เคลื่อนที่ได้เกือบไร้แรงเสียดทาน หากว่าโต๊ะไม่เร่ง ลูกฮอกกี้ที่วางอยู่บนโต๊ะก็จะรักษาการอยู่กับที่ไว้

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

รูปการเล่นฮอกกี้อากาศ

เวลาปกติ เมื่อวางลูกบนโต๊ะ มันจะคงนิ่งอยู่บนโต๊ะ หากลองเปิดเครื่อง พัดลมใต้เครื่องจะเป่าลมขึ้นมาบนโต๊ะ ความเร็วลมปล่อยคงที่ ลูกที่วางบนโต๊ะ ลูกก็ยังคงอยู่ตรงที่มันถูกวางไว้

      แล้วถ้าหากไปขยับลูก ลูกจะเริ่มเคลื่อนที่ไปตามโต๊ะ ในทิศตรงกันข้ามความเร่ง เหมือนกับเราวาง กระดานสเก็ตซ์บออร์ดบนพื้นรถ แล้วรถเคลื่อนที่ จะทำให้สเก็ตซ์บอร์ดเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเคลื่อนไปข้างหลัง ซึ่งจะเห็นในสมการที่ 4.6 (รูปสมการที่ 4.6) วัตถุเคลื่อนที่สามารถสังเกตได้จากค่าตัวเลขใด ๆ ในกรอบอ้างอิง

      กฏการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน (Newton’s first law of motion) บางครั้งเรียกว่า กฏแรงเฉื่อย (Law of inertia) ได้กำหนดชุดกรอบอ้างอิงพิเศษ ที่เรียกว่า กรอบเฉื่อย (Inertial frames) กฎข้อนี้อาจกล่าวอธิบายได้ดังนี้

กฏข้อที่หนึ่งของนิวตัน หากวัตถุไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุอื่นใด สามารถที่จะระบุในกรอบอ้างอิงได้ว่าวัตถุมีความเร่งเป็นศูนย์ 

                กรอบอ้างอิงดังกล่าวเรียกว่า กรอบอ้างอิงฉื่อย (Inertial frame of reference) เมื่อลูกอยู่บนโต๊ะฮอกกี้อากาศ เห็นได้จากกรอบอ้างอิงเฉื่อย ยังไม่มีปฏิสัมพันธ์ใดในแนวนอนของลูกกับวัตถุอื่นใด และสังเกตเห็นว่ามันมีความเร่งเป็นศูนย์ ในทิศทางนั้น

      แล้วถ้าหากลองเอาโต๊ะฮอกกี้อากาศไปวางบนรถไฟที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ จะสังเกตลูกฮอกกี้จากกรอบอ้างอิงเฉื่อย พบว่ากรอบอ้างอิงใด ๆ ที่เคลื่อนด้วยความเร็วคงที่สัมพันธ์กับกรอบเฉื่อยของมัน

      แล้วเมื่อรถไฟมีความเร่งขึ้นมา จะสังเกตเห็นลูกฮอกกี้จาก กรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย (Noninertial reference frame) ลูกฮอกกี้จะมีความเร่งเกิดขึ้น เพราะว่าความเร่งของรถไฟสัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงเฉื่อยของพื้นผิวโลก

      แต่จากกรอบอ้างอิงสามารถบ่งชี้ว่า ลูกมีความเร่งเป็นศูนย์ ยกตัวอย่างเช่น ผู้สังเกตการณ์ยืนอยู่ด้านนอกของรถไฟ บนพื้นโลกแล้วมองเห็นลูกเคลื่อนสไลด์สัมพัทธ์กับโต๊ะ แต่ยังคงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกันกับพื้นดิน ขณะที่รถไฟก่อนที่จะเริ่มเร่ง (เพราะเกือบจะไม่มีแรงเสียดทานที่ ลูกบอล และรถไฟไปพร้อมกัน) เพราะฉะนั้นกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันยังคงใช้ได้ ถึงแม้ว่าการสังเกตของคุณเป็นผู้นั่งบนรถไฟแสดงให้เห็นชัดเจนระหว่างความเร่งของรถไฟสัมพัทธ์กับคุณผู้สังเกต

      กรอบอ้างอิงหนึ่ง เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ หากเทียบกับดวงดาวในระยะทางที่อยู่ไกล อาจกำหนดให้มันเป็นกรอบเฉื่อยได้ เนื่องจากระยะทางที่อยู่ไกลกัน วัตถุประสงค์ก็เพื่อจะพิจารณาโลกให้เป็นเช่น กรอบ

รูปโลก

      โลกจริง ๆ ไม่ได้เป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อยเพราะว่า วงโคจรของมันเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ และมีการหมุนรอบแกนตัวเอง ซึ่งทั้งคู่เกี่ยวข้องกับความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง ความเร่งเหล่านี้มีขนาดเล็กน้อยเมื่อเทียบกับค่าจี อาจจะละเลยได้ ด้วยเหตุผลนี้ เราจึงจำลองโลกให้เป็นกรอบเฉื่อย พร้อมกับกรอบอ้างอิงอื่น ๆ ที่แนบกับมัน

      สมมติว่า หากเราสังเกตวัตถุจากกรอบอ้างอิงเฉื่อย (ย้อนกลับไปดูกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยในหัวข้อ 6.3) ซึ่งก่อนประมาณ ศตวรรษที่ 16 นักวิทยาศาสตร์มีความเชื่อว่าสภาพธรรมชาติของสสารเป็นสถานะที่อยู่นิ่ง หากพบวัตถุที่เคลื่อนที่อยู่ แต่ในที่สุดก็จะหยุดการเคลื่อนที่

รูปกาลิเลโอ

      กาลิเลโอเป็นคนแรกที่ใช้วิธีการที่แตกต่างกันกับนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่น การเคลื่อนที่ และสถานะธรรมชาติของสสาร เขาได้ทดลองทางความคิด และสรุปได้ว่า ธรรมชาติของวัตถุไม่ได้เพื่อเป็นการหยุดการเคลื่อนที่ แต่ธรรมชาติของมันจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่

      ในคำพูดของเขา “วัตถุที่มีความเร็วใด ๆ ขณะที่วัตถุเคลื่อนที่อยู่นั้น มันจะรักษาการเคลื่อนที่นั้นไว้ตลอดเวลา ตราบใดที่ยังไม่มีสาเหตุจากภายนอกมากระทำจนมันชะลอ และหยุดลง”

      ยกตัวอย่างเช่น ยานอวกาศที่ล่องลอยอยู่ในอวกาศอันเวิ้งว้าง โดยไม่ได้ติดเครื่องยนต์ขับดัน มันจะยังคงรักษาการเคลื่อนที่ หรือหยุดนิ่ง ณ ตอนนี้ ตลอดเวลา ตราบใดที่ยังไม่ติดเครื่องยนต์เพื่อเคลื่อนที่ให้แก่ยานอวกาศนั้น

รูปยานอวกาศที่ล่องลอยในอวกาศ

      ได้รับการอธิบายในการสังเกตของเราจากกรอบอ้างอิงเฉื่อย เราสามารถก่อให้การปฏิบัติมากขึ้นในกฏการเคลื่อนที่ของกฏข้อที่หนึ่งของนิวตัน

      สถานะอื่น ๆ ของกฏข้อที่หนึ่งของนิวตัน: ในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำ จากกรอบอ้างอิงเฉื่อย วัตถุยังคงที่จะรักษาการอยู่นิ่ง หรือวัตถุเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องมีความเร็วคงที่ นั่นคือ มีอัตราเร็วที่คงที่ในแนวเส้นตรง

      กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อไม่มีแรงกระทำบนวัตถุ ความเร่งของวัตถุจะเป็นศูนย์ จากกฏข้อที่หนึ่ง เราสรุปได้ว่า วัตถุใด ๆ (ที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมรอบ ๆ) ที่อยู่นิ่ง หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

      ถ้าหากวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อย่างมีความเร็ว แล้วมีแนวโน้มที่เกิดการต้านการเคลื่อนที่ในตัวมัน มันจะเกิด ความเฉื่อย (Inertia) ขึ้น ซึ่งทำให้สถานะของกฏข้อที่หนึ่งของนิวตัน สิ้นสุดลง สรุปได้ว่า วัตถุนั้นมีความเร่ง เพราะต้องเจอแรงต้านในทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ เพราะความเร่ง หรือความหน่วงจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของวัตถุ

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ร่ม ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมา

เพื่อให้ฝนหยุดตก

แต่มันถูกสร้างขึ้นมา

เพื่อให้เรา เดินต่อไปได้ท่ามกลางสายฝน”