บทเรียนที่ 1: การเคลื่อนที่ในฟิสิกส์

การเคลื่อนที่ในฟิสิกส์ หมายถึง การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุในช่วงเวลาหนึ่ง ถูกอธิบายด้วย การกระจัด ระยะทาง ความเร็ว ความเร่ง เวลา และอัตราเร็ว การเคลื่อนที่ของวัตถุจะถูกสังเกตได้โดยผู้สังเกตที่เป็นส่วนหนึ่งของกรอบอ้างอิง ทำการวัดการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุเทียบกับกรอบอ้างอิงนั้น ถ้าตำแหน่งของวัตถุไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิง อาจกล่าวได้ว่าวัตถุนั้นอยู่นิ่งหรือตำแหน่งคงที่ (ระบบมีพลวัตแบบเวลายง) การเคลื่อนที่ของวัตถุจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ เว้นเสียแต่มีแรงมากระทำ

โมเมนตัมคือปริมาณที่ใช้ในการวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุ โมเมนตัมของวัตถุเกี่ยวข้องกับมวลและความเร็วของวัตถุ และโมเมนตัมทั้งหมดของวัตถุทั้งหมดในระบบโดดเดี่ยว (อย่างใดอย่างหนึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอก) ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาตามที่อธิบายไว้ในกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม

การเคลื่อนที่ใช้ได้กับวัตถุ อนุภาค การแผ่รังสี อนุภาคของรังสี อวกาศ ความโค้ง และปริภูมิ-เวลาได้ อนึ่งยังสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของรูปร่างและขอบเขต ดังนั้นการเคลื่อนที่หมายถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในการกำหนดค่าของระบบทางกายภาพ ตัวอย่างเช่นเราสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของคลื่นหรือการเคลื่อนที่ของอนุภาคควอนตัมซึ่งการกำหนดค่านี้ประกอบด้วยความน่าจะเป็นในการครอบครองตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง

กฎการเคลื่อนที่
ในวิชาฟิสิกส์อธิบายการเคลื่อนที่ผ่านกฎของกลศาสตร์สองชุดที่ดูขัดแย้งกัน การเคลื่อนที่ของวัตถุใหญ่และวัตถุที่คล้ายกันในเอกภพ (เช่น ขีปนาวุธ ดาวเคราะห์ เซลล์และมนุษย์) อธิบายด้วยกลศาสตร์ดั้งเดิม ขณะที่การเคลื่อนที่ของวัตถุระดับอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมถูกอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ดั่งเดิมถูกใช้อธิบายการเคลื่อนที่วัตถุมหภาค ตั้งแต่ขีปนาวุธไปจนถึงชิ้นส่วนของเครื่องจักร เช่นเดียวกับวัตถุทางดาราศาสตร์ เช่น ยานอวกาศ ดาวเคราะห์และกาแลคซี ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมากในการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านี้ และเป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมและเทคโนโลยีที่เก่าแก่และใหญ่ที่สุด

กลศาสตร์ดั่งเดิมนั้นมีรากฐานมาจากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันแทบทั้งนั้น กฎเหล่านี้จะอธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่มากระทำต่อวัตถุกับการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น โดยข้อมูลที่ได้มานั้น ได้ข้อมูลมาจาก ไอแซก นิวตัน ชื่อหนังสือว่า "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อ 5 กรกฎาคม ค.ศ. 1687 โดยกฎการเคลื่อนที่มีดังนี้

1. กฎข้อที่หนึ่ง: ทุกวัตถุจะรักษาภวะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในแนวเส้นตรง เว้นแต่จะมีแรงมากระทำให้เปลี่ยนภาวะนั้นไป
2. กฎข้อที่สอง: ความเร่งของวัตถุจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงที่มากระทำ และมีทิศทางอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับแรงที่มากระทำนั้น
3. กฎข้อที่สาม: ทุกแรงกิริยาจะมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกันเสมอ

กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อของนิวตันนี้ เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แรก สำหรับการทำความเข้าใจการโคจรของวัตถุในอวกาศ ซึ่งเป็นการอธิบายภาพรวมการเคลื่อนที่ของเทห์ฟ้าและการเคลื่อนที่ของวัตถุบนผิวโลก กลศาสตร์ดั่งเดิมได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ โดยสัมพัทธภาพพิเศษเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วของแสง ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ภายใต้แรงโน้มถ่วงในระดับลึก ที่มา th.wikipedia.org

ประเภทของการเคลื่อนที่ สามารถแบ่งได้ ดังนี้

1. การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
2. การเคลื่อนที่แนวตรง
3. การเคลื่อนที่กลับไปมา (เช่น การสั่นสะเทือน)
4. การเคลื่อนที่แบบสุ่ม (เช่น การสั่นสะเทือน)
5. การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (การเคลื่อนที่ของอนุภาคแบบสุ่ม)
6. การเคลื่อนที่แบบวงกลม (เช่น การโคจรรอบดาวเคราะห์)
7. การเคลื่อนที่แบบหมุนรอบแกน – การเคลื่อนที่ที่มีจุดหมุนอยู่กับที่ (เช่น ชิงช้าสวรรค์)
8. การเคลื่อนที่แนวโค้ง หมายถึงการเคลื่อนที่ตามแนวโค้งที่อาจเป็นแนวระนาบหรือในสามมิติ
9. การเคลื่อนที่แบบหมุน
10. การเคลื่อนที่แบบกลิ้ง  (แบบล้อของรถจักรยาน)
11. การสั่น  (การแกว่งจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง)
12. การสั่นสะเทือน
13. การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
14. การสั่น
15. คลื่น
16. โมเมนตัม
17. การเคลื่อนที่สัมพัทธ์

1. การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย (Simple Harmonic Motion : SHM) 
เป็นการเคลื่อนที่แบบเป็นคาบอย่างหนึ่ง คือ เคลื่อนที่กลับไปมาซ้ำทางเดิมโดยผ่านตำแหน่งสมดุล และมีคาบของการเคลื่อนที่คงตัว เช่น การเคลื่อนที่ของวัตถุติดปลายสปริง การสั่นของสายเครื่องดนตรี การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา เป็นต้น

2. การเคลื่อนที่แนวตรง
หมายถึง การเคลื่อนที่ของวัตถุตามแนวเส้นตรง โดยไม่ออกจากแนวเส้นตรงของการเคลื่อนที่ หรือเรียกว่า การเคลื่อนที่ แบบ 1 มิติ ของวัตถุ เช่น การเคลื่อนที่ของรถยนต์บนถนนตรง การเคลื่อนที่ของผลมะม่วงที่ร่วงลงสู่พื้น การเคลื่อนที่แนวตรง แบ่งได้เป็น 2 กรณี คือ การเคลื่อนแนวตรงตามแนวราบ และ การเคลื่อนที่แนวตรงตามแนวดิ่ง

3. การเคลื่อนที่กลับไปมา
4. การเคลื่อนที่แบบสุ่ม (เช่น การสั่นสะเทือน)
5. การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion)
ตั้งชื่อตามนักพฤกษศาสตร์ โรเบิร์ต บราวน์ หมายถึงการเคลื่อนที่ของอนุภาคในของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) ที่คิดว่าเป็นไปโดยสุ่ม หรือแบบจำลองคณิตศาสตร์ที่ใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่แบบสุ่มดังกล่าว มักเรียกกันว่า ทฤษฎีอนุภาค ที่มีการนำแบบจำลองคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนที่แบบบราวน์ไปประยุกต์ใช้ในโลกจริงมากมาย ตัวอย่างเช่น ความผันผวนของตลาดหุ้น อย่างไรก็ดี การเคลื่อนไหวของราคาหุ้นอาจเพิ่มขึ้นเนื่องจากเหตุการณ์ที่ไม่อาจคาดการณ์ได้ซึ่งอาจไม่เกิดซ้ำกันอีก การเคลื่อนที่แบบบราวน์เป็นหนึ่งในกระบวนการสโตคาสติก แบบเวลาต่อเนื่องที่ง่ายที่สุดแบบหนึ่ง ทั้งเป็นขีดจำกัดของกระบวนการทำนายที่ทั้งง่ายกว่าและซับซ้อนกว่า ที่มา: th.wikipedia.org

6. การเคลื่อนที่แบบวงกลม (เช่น การโคจรรอบดาวเคราะห์)
7. การเคลื่อนที่แบบหมุนรอบแกน – การเคลื่อนที่ที่มีจุดหมุนอยู่กับที่ (เช่น ชิงช้าสวรรค์)
8. การเคลื่อนที่แนวโค้ง หมายถึงการเคลื่อนที่ตามแนวโค้งที่อาจเป็นแนวระนาบหรือในสามมิติ
9. การเคลื่อนที่แบบหมุน
10. การเคลื่อนที่แบบกลิ้ง  (แบบล้อของรถจักรยาน)
11. การสั่น  (การแกว่งจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง)
12. การสั่นสะเทือน
13. การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
14. การสั่น
15. คลื่น
16. โมเมนตัม
17. การเคลื่อนที่สัมพัทธ์