กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน (ความเฉื่อย)

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันกล่าวว่า ถ้าแรงภายนอกลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ ความเร็วของวัตถุจะคงที่ ดังนั้นวัตถุจะคงอยู่นิ่ง หรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่ต่อไป

ข้อความนี้ใช้ได้ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย ซึ่งหมายถึงกรอบอ้างอิงที่ไม่มีความเร่ง กฎนี้ยังเรียกว่า กฎความเฉื่อย เพราะความเฉื่อยคือแนวโน้มของสสารที่จะต้านการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันในบรรทัดเดียว

ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย

$$\sum \vec{F}_{\text{ext}} = 0 \Rightarrow \vec{v} = \text{constant}$$

คำว่า "คงที่" สำคัญมาก ความเร็วคงที่อาจเป็นศูนย์ ซึ่งหมายถึงการอยู่นิ่ง หรืออาจเป็นการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอย่างสม่ำเสมอแบบใดก็ได้

ความเฉื่อยหมายถึงอะไรแบบเข้าใจง่าย

บางคนมักพูดว่า วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ "อยากเคลื่อนที่ต่อไป" ซึ่งใกล้เคียง แต่ยังไม่ครบถ้วน แนวคิดที่แม่นยำกว่าคือ วัตถุจะไม่เปลี่ยนความเร็ว เว้นแต่จะมีแรงภายนอกลัพธ์มากระทำ

ความเร็วมีทั้งขนาดและทิศทาง ดังนั้นการเลี้ยวก็ถือเป็นการเปลี่ยนความเร็ว แม้อัตราเร็วจะเท่าเดิมก็ตาม ถ้าทิศทางเปลี่ยน แสดงว่าแรงภายนอกลัพธ์ไม่เป็นศูนย์

ตัวอย่างคำนวณ: แผ่นฮอกกี้ไถลบน้ำแข็งเรียบ

สมมติว่าแผ่นฮอกกี้กำลังไถลไปทางตะวันออกด้วยความเร็ว $3\ \mathrm{m/s}$ อยู่แล้ว หลังจากไม้ฮอกกี้ไม่สัมผัสมันแล้ว ให้จินตนาการว่าน้ำแข็งเรียบมากจนแรงเสียดทานน้อยมากในช่วงไม่กี่วินาทีถัดไป

ดังนั้นแรงภายนอกลัพธ์จึงประมาณได้ว่าเป็นศูนย์ และกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันจึงทำนายว่าแผ่นฮอกกี้จะยังคงเคลื่อนที่ไปทางตะวันออกด้วยความเร็วประมาณ $3\ \mathrm{m/s}$ เป็นเส้นตรงต่อไป

ถ้าแผ่นฮอกกี้ช้าลง นั่นบอกได้ว่าแรงภายนอกลัพธ์ไม่ได้เป็นศูนย์จริง ๆ บนน้ำแข็งจริง แรงเสียดทานและแรงต้านอากาศมักทำให้ความเร็วลดลงเล็กน้อย ดังนั้นการทำนายว่าเป็นความเร็วคงที่จะแม่นยำได้เท่ากับความเหมาะสมของการประมาณนี้

นี่คือนิสัยสำคัญที่ควรฝึก: เริ่มจากถามก่อนว่าแรงภายนอกลัพธ์เป็นศูนย์หรือไม่ ถ้าใช่ ให้คาดว่าความเร็วจะคงที่ ถ้าความเร็วเปลี่ยนทั้งขนาดหรือทิศทาง แรงภายนอกลัพธ์ย่อมไม่เป็นศูนย์

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยเกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

• คิดว่าต้องมีแรงเพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ จริง ๆ แล้วแรงลัพธ์จำเป็นต่อการเปลี่ยนความเร็ว ไม่ใช่เพื่อรักษาความเร็วเดิม
• มองว่า "แรงเป็นศูนย์" เหมือนกับ "ไม่มีการเคลื่อนที่" แรงลัพธ์เป็นศูนย์อาจหมายถึงการเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอได้เช่นกัน
• ลืมว่าการเลี้ยวทำให้ความเร็วเปลี่ยน การเคลื่อนที่เป็นวงกลมไม่ใช่ตัวอย่างของกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน เพราะทิศทางเปลี่ยนตลอดเวลา
• เรียกความเฉื่อยว่าเป็นแรงผลักหรือแรงดึง ความเฉื่อยเป็นสมบัติของสสาร ไม่ใช่แรงเพิ่มเติมชนิดหนึ่ง

ใช้กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันเมื่อใด

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันเป็นจุดเริ่มต้นของการวิเคราะห์แรง ก่อนจะคำนวณอะไร คุณควรถามก่อนว่าการเคลื่อนที่นั้นบ่งชี้ว่าแรงลัพธ์เป็นศูนย์หรือไม่เป็นศูนย์

กฎนี้ยังอธิบายด้วยว่าทำไมเข็มขัดนิรภัยจึงสำคัญ เมื่อรถหยุดกะทันหัน ร่างกายของคุณมีแนวโน้มจะคงความเร็วเดิมไว้ เข็มขัดนิรภัยเป็นแรงภายนอกที่ทำให้การเคลื่อนที่นั้นเปลี่ยนไปอย่างปลอดภัย

ในฟิสิกส์ระดับต้น กฎนี้ยังใช้เพื่อรองรับแบบจำลองอย่างง่าย ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์ในแนวระดับมักถือว่าเป็นการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เมื่อไม่คิดแรงต้านอากาศ เพราะในกรณีนั้นถือว่าแรงลัพธ์ในแนวระดับเป็นศูนย์

ลองกรณีที่คล้ายกัน

ลองสร้างตัวอย่างของคุณเองจากสถานการณ์ในชีวิตประจำวันสักหนึ่งอย่าง: หนังสือวางนิ่งบนโต๊ะ แผ่นฮอกกี้ไถลหลังถูกตี หรือผู้โดยสารที่พุ่งไปข้างหน้าเมื่อรถเบรก เริ่มจากคำถามเดียว: แรงภายนอกลัพธ์เป็นศูนย์หรือไม่ การตรวจสอบนี้มักบอกได้ว่าควรใช้กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันโดยตรง หรือควรไปใช้กฎข้อที่สองของนิวตันต่อ