ฟิสิกส์เป็นศาสตร์ที่ศึกษากฎของจักรวาล ใช้ระเบียบวิธีวิจัยมาตรฐานและระบบหน่วยวัดบางระบบ หน่วยของแรงมักเรียกว่า N (นิวตัน) ความแข็งแกร่งคืออะไร จะหาและวัดได้อย่างไร? มาสำรวจปัญหานี้โดยละเอียดกันดีกว่า
น่าสนใจจากประวัติศาสตร์
ไอแซก นิวตันเป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษที่โดดเด่นแห่งศตวรรษที่ 17 ซึ่งมีส่วนสนับสนุนอย่างล้ำค่าในการพัฒนาวิทยาศาสตร์คณิตศาสตร์อย่างแท้จริง เขาเป็นคนที่เป็นบรรพบุรุษของฟิสิกส์คลาสสิก เขาอธิบายกฎที่ควบคุมทั้งเทห์ฟากฟ้าขนาดใหญ่และเม็ดทรายเล็กๆ ที่ถูกลมพัดไป หนึ่งในการค้นพบหลักของเขาคือกฎความโน้มถ่วงสากลและกฎพื้นฐานสามข้อของกลศาสตร์ที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ของร่างกายในธรรมชาติ ต่อมา นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ก็สามารถได้มาซึ่งกฎแห่งการเสียดสี การพัก และการลื่นไถล ต้องขอบคุณการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ของไอแซก นิวตัน
ทฤษฎีนิดหน่อย
ปริมาณทางกายภาพถูกตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ นิวตันเป็นหน่วยของแรง คำจำกัดความของแรงสามารถอธิบายได้ดังนี้: "แรงคือการวัดเชิงปริมาณของปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุหรือปริมาณซึ่งบ่งบอกถึงระดับความรุนแรงหรือความตึงเครียดของร่างกาย"
แรงมีหน่วยเป็นนิวตันด้วยเหตุผลบางประการ เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่สร้างกฎ "อำนาจ" ที่ไม่สั่นคลอนสามกฎที่เกี่ยวข้องกับทุกวันนี้ มาศึกษากันด้วยตัวอย่าง
กฎข้อที่หนึ่ง
เพื่อความเข้าใจอย่างถ่องแท้ของคำถาม: "นิวตันคืออะไร", "หน่วยวัดของอะไร" และ "ความหมายทางกายภาพของมันคืออะไร" ก็ควรค่าแก่การศึกษากฎพื้นฐานสามประการของกลศาสตร์อย่างรอบคอบ
คนแรกบอกว่าถ้าร่างกายไม่ได้รับผลกระทบจากร่างกายอื่นก็จะได้พักผ่อน และถ้าร่างกายมีการเคลื่อนไหว เมื่อไม่มีการกระทำใดๆ มันก็จะเคลื่อนไหวต่อไปเป็นเส้นตรงอย่างต่อเนื่อง
ลองนึกภาพว่าหนังสือเล่มหนึ่งที่มีมวลจำนวนหนึ่งวางอยู่บนพื้นผิวโต๊ะเรียบ แสดงถึงแรงทั้งหมดที่กระทำต่อมัน เราได้รับว่านี่คือแรงโน้มถ่วงซึ่งพุ่งลงสู่แนวตั้ง และแรงปฏิกิริยาของแนวรับ (ในกรณีนี้คือตาราง) ซึ่งพุ่งขึ้นในแนวตั้ง เนื่องจากแรงทั้งสองสมดุลการกระทำของกันและกัน ขนาดของแรงผลลัพธ์จึงเป็นศูนย์ ตามกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน นี่คือสาเหตุที่หนังสือหยุดนิ่ง
กฎข้อที่สอง
มันอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่กระทำต่อร่างกายและความเร่งที่ได้รับเนื่องจากแรงที่กระทำ ไอแซก นิวตัน เมื่อกำหนดกฎข้อนี้ เป็นคนแรกที่ใช้ค่าคงที่ของมวลเป็นตัววัดการแสดงออกของความเฉื่อยและความเฉื่อยของร่างกาย พวกเขาเรียกความเฉื่อยความสามารถหรือทรัพย์สินของร่างกายในการรักษาตำแหน่งเดิม กล่าวคือ ต้านทานอิทธิพลภายนอก
กฎข้อที่สองมักจะอธิบายโดยสูตรต่อไปนี้: F=am; โดยที่ F คือผลลัพธ์ของแรงทั้งหมดที่กระทำกับวัตถุ a คือความเร่งที่ร่างกายได้รับ และ m คือมวลของวัตถุ แรงแสดงออกมาเป็น kgm/s2 นิพจน์นี้มักจะแสดงเป็นนิวตัน
นิวตันในฟิสิกส์คืออะไร คำนิยามของความเร่งคืออะไร และเกี่ยวข้องกับแรงอย่างไร? คำถามเหล่านี้ตอบโดยสูตรของกฎข้อที่สองของกลศาสตร์ ควรเข้าใจว่ากฎนี้ใช้ได้เฉพาะกับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วน้อยกว่าความเร็วแสงเท่านั้น ที่ความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง กฎที่แตกต่างกันเล็กน้อยทำงาน ดัดแปลงโดยส่วนพิเศษของฟิสิกส์เกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ
กฎข้อที่สามของนิวตัน
นี่อาจเป็นกฎหมายที่เข้าใจได้ง่ายและเข้าใจง่ายที่สุดที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างสองร่าง เขาบอกว่าแรงทั้งหมดเกิดขึ้นเป็นคู่ นั่นคือ ถ้าร่างหนึ่งทำปฏิกิริยากับอีกคนหนึ่งด้วยแรงบางอย่าง ร่างที่สองก็จะทำหน้าที่แรกด้วยแรงเท่ากัน
คำศัพท์ของกฎหมายโดยนักวิทยาศาสตร์มีดังนี้: "… ปฏิสัมพันธ์ของสองร่างที่ซึ่งกันและกันมีค่าเท่ากัน แต่ทิศทางตรงกันข้าม"
ลองหาว่านิวตันคืออะไร. ในทางฟิสิกส์ เป็นธรรมเนียมที่จะต้องพิจารณาทุกอย่างเกี่ยวกับปรากฏการณ์เฉพาะ ดังนั้นต่อไปนี้คือตัวอย่างบางส่วนที่อธิบายกฎของกลไก
- นกน้ำ เช่น เป็ด ปลา หรือกบ เคลื่อนที่เข้าหรือผ่านน้ำได้อย่างแม่นยำโดยโต้ตอบกับมัน กฎข้อที่สามของนิวตันกล่าวว่าเมื่อวัตถุหนึ่งกระทำกับอีกวัตถุหนึ่ง การโต้กลับจะเกิดขึ้นเสมอ ซึ่งเทียบเท่ากับความแข็งแกร่งของวัตถุแรก แต่มีทิศทางตรงกันข้าม จากข้อมูลนี้ เราสามารถสรุปได้ว่าการเคลื่อนไหวของเป็ดเกิดขึ้นจากการที่พวกมันดันน้ำกลับด้วยอุ้งเท้า และพวกมันเองก็ว่ายไปข้างหน้าเนื่องจากการตอบสนองต่อน้ำ
- วงล้อกระรอกเป็นตัวอย่างสำคัญในการพิสูจน์กฎข้อที่สามของนิวตัน ทุกคนคงรู้ว่าวงล้อกระรอกคืออะไร นี่เป็นการออกแบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย ชวนให้นึกถึงทั้งวงล้อและดรัม มันถูกติดตั้งในกรงเพื่อให้สัตว์เลี้ยงเช่นกระรอกหรือหนูตกแต่งสามารถวิ่งไปมาได้ ปฏิสัมพันธ์ของสองร่าง วงล้อและสัตว์ ทำให้ร่างกายทั้งสองเคลื่อนที่ ยิ่งกว่านั้นเมื่อกระรอกวิ่งเร็ว ล้อจะหมุนด้วยความเร็วสูง และเมื่อมันช้าลง ล้อจะเริ่มหมุนช้าลง นี่เป็นการพิสูจน์อีกครั้งว่าการกระทำและการตอบโต้นั้นเท่าเทียมกันเสมอ แม้ว่าจะมุ่งไปในทิศทางตรงกันข้าม
- ทุกสิ่งที่เคลื่อนไหวบนโลกใบนี้เคลื่อนที่เพราะ "การตอบสนอง" ของโลกเท่านั้น มันอาจจะดูแปลกๆ แต่จริงๆ แล้ว เวลาเดิน เราก็แค่พยายามดันพื้นหรือพื้นผิวอื่นๆ และเรากำลังก้าวไปข้างหน้า เพราะโลกกำลังผลักเราตอบสนอง
นิวตันคืออะไร: หน่วยวัดหรือปริมาณทางกายภาพ?
นิยามของคำว่า "นิวตัน" สามารถอธิบายได้ดังนี้: "มันคือหน่วยของแรง" แต่ความหมายทางกายภาพของมันคืออะไร? จากกฎข้อที่สองของนิวตัน นี่คือปริมาณอนุพันธ์ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นแรงที่สามารถเปลี่ยนความเร็วของวัตถุด้วยมวล 1 กิโลกรัมคูณ 1 เมตรต่อวินาทีในเวลาเพียง 1 วินาที ปรากฎว่านิวตันเป็นปริมาณเวกเตอร์ กล่าวคือ มันมีทิศทางของมันเอง เมื่อเราใช้แรงกับวัตถุ เช่น ผลักประตู เรากำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ไปพร้อม ๆ กัน ซึ่งตามกฎข้อที่สอง จะเหมือนกับทิศทางของแรง
ถ้าคุณทำตามสูตรปรากฎว่า 1 นิวตัน=1 kgm/s 2 ในการแก้ปัญหาต่างๆ ในกลศาสตร์ บ่อยครั้งจำเป็นต้องแปลงนิวตันเป็นปริมาณอื่น เพื่อความสะดวกในการค้นหาค่าบางค่า ขอแนะนำให้จำข้อมูลประจำตัวพื้นฐานที่เชื่อมนิวตันกับหน่วยอื่นๆ:
- 1 H=105 dyne (dyna เป็นหน่วยวัดในระบบ CGS);
- 1 N=0.1 kgf (แรงกิโลกรัมเป็นหน่วยของแรงในระบบ ICSS);
- 1 H=10 -3 sten ร่างกายที่มีน้ำหนัก 1 ตัน)
กฎความโน้มถ่วงสากล
การค้นพบที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของนักวิทยาศาสตร์ที่เปลี่ยนความคิดเกี่ยวกับโลกของเราคือกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน (ความโน้มถ่วงคืออะไร อ่านด้านล่าง) แน่นอนว่าข้างหน้าเขามีความพยายามที่จะไขความลึกลับของแรงดึงดูดโลก. ตัวอย่างเช่น โยฮันเนส เคปเลอร์เป็นคนแรกที่แนะนำว่าไม่เพียงแต่โลกมีแรงดึงดูด แต่ร่างกายเองก็สามารถดึงดูดโลกได้เช่นกัน
อย่างไรก็ตาม มีเพียงนิวตันเท่านั้นที่สามารถพิสูจน์ความสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงกับกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ได้ หลังจากการทดลองหลายครั้ง นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่า ไม่เพียงแต่โลกจะดึงดูดวัตถุเข้ามายังตัวมันเอง แต่ร่างกายทั้งหมดยังดึงดูดกันและกันอีกด้วย เขาได้รับกฎแรงโน้มถ่วงซึ่งระบุว่าวัตถุใดๆ รวมทั้งวัตถุท้องฟ้า จะถูกดึงดูดด้วยแรงเท่ากับผลคูณของ G (ค่าคงตัวความโน้มถ่วง) และมวลของวัตถุทั้งสอง m1 m 2 หารด้วย R2 (กำลังสองของระยะห่างระหว่างร่างกาย)
กฎและสูตรทั้งหมดที่ได้รับจากนิวตันทำให้สามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สมบูรณ์ ซึ่งยังคงใช้ในการวิจัยไม่เพียงแต่บนพื้นผิวโลก แต่ยังอยู่ไกลเกินกว่าโลกของเราด้วย
การแปลงหน่วย
เมื่อแก้ปัญหา คุณควรจำคำนำหน้า SI มาตรฐาน ซึ่งใช้สำหรับหน่วยวัด "Newtonian" ด้วย ตัวอย่างเช่น ในปัญหาเกี่ยวกับวัตถุในอวกาศซึ่งมวลของวัตถุมีขนาดใหญ่ บ่อยครั้งจำเป็นต้องลดความซับซ้อนของค่าขนาดใหญ่เป็นค่าที่เล็กกว่า หากคำตอบคือ 5000 N จะสะดวกกว่าในการเขียนคำตอบในรูปของ 5 kN (kiloNewton) หน่วยดังกล่าวมีสองประเภท: ทวีคูณและหลายย่อย ตัวอย่างที่ใช้มากที่สุดมีดังนี้ 102 N=1 hectoNewton (hN); 103 H=1กิโลนิวตัน (kN); 106 N=1 เมกะนิวตัน (MN) และ 10-2 N=1 เซ็นตินิวตัน (cN); 10-3 N=1 มิลลินิวตัน (mN); 10-9 N=1 นาโนนิวตัน (nN).
