กฎข้อที่สามของนิวตัน (แรงกิริยา-แรงปฏิกิริยา)

กฎข้อที่สามของนิวตันมีความหมายดังนี้: ถ้าวัตถุ A ออกแรงกระทำต่อวัตถุ B วัตถุ B ก็จะออกแรงที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศตรงข้ามกระทำต่อวัตถุ A แรงทั้งสองเกิดขึ้นพร้อมกันและกระทำต่อคนละวัตถุ

สำหรับอันตรกิริยาหนึ่งครั้ง

$$\vec{F}_{A \text{ on } B} = -\vec{F}_{B \text{ on } A}$$

วิธีจำแบบเร็วคือ อันตรกิริยาใด ๆ ย่อมมีสองด้านเสมอ คุณไม่ควรมองหาแรงตามกฎข้อที่สามโดยยังไม่ได้ระบุวัตถุทั้งสองชิ้นก่อน

ทำไมแรงที่เท่ากันและทิศตรงข้ามจึงไม่หักล้างกัน

คำว่า "แรงกิริยา-แรงปฏิกิริยา" อาจทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อย เพราะฟังดูเหมือนเกิดเรียงตามลำดับ แต่ในฟิสิกส์ แรงคู่นี้เกิดขึ้นพร้อมกัน

สิ่งที่สำคัญไม่แพ้กันคือ แรงทั้งสองไม่ได้กระทำต่อวัตถุชิ้นเดียวกัน นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมมันไม่หักล้างกันในแผนภาพวัตถุอิสระเดียว แรงจะหักล้างกันได้ก็ต่อเมื่อมันกระทำต่อวัตถุชิ้นเดียวกันเท่านั้น

ตัวอย่างโจทย์: นักสเก็ตสองคนผลักตัวออกจากกัน

ลองนึกภาพนักสเก็ตสองคนยืนอยู่บนพื้นน้ำแข็งที่แทบไม่มีแรงเสียดทาน นักสเก็ต A ผลักนักสเก็ต B ไปทางขวาด้วยแรง $40\ \mathrm{N}$

ในขณะเดียวกัน นักสเก็ต B ก็ผลักนักสเก็ต A ไปทางซ้ายด้วยแรง $40\ \mathrm{N}$ แรงผลักทั้งสองนี้เป็นคู่แรงตามกฎข้อที่สาม เพราะเกิดจากอันตรกิริยาเดียวกันและมีทิศตรงข้ามกัน

ถ้านักสเก็ตทั้งสองมีมวลต่างกัน ความเร่งของทั้งคู่ก็ยังต่างกันได้ ซึ่งไม่ได้ขัดกับกฎนี้ กฎข้อที่สามของนิวตันบอกว่าแรงมีขนาดเท่ากัน ไม่ได้บอกว่าความเร่งต้องเท่ากัน ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน นักสเก็ตที่มีมวลน้อยกว่าจะมีความเร่งมากกว่า เพราะ $a = F_{net}/m$ เมื่อมวลคงที่

วิธีสังเกตคู่แรงกิริยา-ปฏิกิริยา

ใช้รายการตรวจสอบสั้น ๆ นี้:

1. ระบุวัตถุสองชิ้นที่กำลังมีอันตรกิริยากัน
2. เขียนแรงหนึ่งแรงให้ชัดเจน เช่น "แรงของนักสเก็ต A ที่กระทำต่อนักสเก็ต B"
3. สลับลำดับวัตถุเพื่อหาแรงคู่กัน: "แรงของนักสเก็ต B ที่กระทำต่อนักสเก็ต A"
4. ตรวจสอบว่าแรงทั้งสองเกิดจากอันตรกิริยาเดียวกัน
5. ยืนยันว่าแรงทั้งสองกระทำต่อคนละวัตถุและมีทิศตรงข้ามกัน

ถ้าข้อใดข้อหนึ่งไม่ผ่าน คุณก็น่าจะไม่ได้กำลังดูคู่แรงตามกฎข้อที่สาม

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยเกี่ยวกับกฎข้อที่สามของนิวตัน

• คิดว่าแรงคู่นี้หักล้างกันเพราะมีขนาดเท่ากันและทิศตรงข้าม จริง ๆ แล้วมันจะไม่หักล้างกัน เว้นแต่จะกระทำต่อวัตถุชิ้นเดียวกัน
• มองว่า "กิริยา" เกิดก่อน แล้ว "ปฏิกิริยา" เกิดทีหลัง ความจริงคือแรงทั้งสองเกิดพร้อมกัน
• จับคู่แรงผิด แรงปฏิกิริยาของการที่คุณผลักกำแพง คือแรงที่กำแพงผลักกลับมาที่คุณ ไม่ใช่น้ำหนักของคุณหรือแรงปกติจากพื้น
• คิดว่าแรงที่เท่ากันต้องทำให้การเคลื่อนที่เท่ากัน แรงที่เท่ากันแต่มีมวลต่างกัน อาจทำให้เกิดความเร่งต่างกันได้

กฎข้อที่สามของนิวตันถูกใช้ที่ไหนบ้าง

กฎข้อที่สามของนิวตันปรากฏทุกครั้งที่วัตถุสองชิ้นมีอันตรกิริยากัน เช่น การเดิน การกระโดด การเข็นรถเข็น การว่ายน้ำ หรือจรวดที่ผลักแก๊สไอเสียไปด้านหลัง ในแต่ละกรณี การเคลื่อนที่จริงยังขึ้นอยู่กับภาพรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุแต่ละชิ้น

ตัวอย่างเช่น ตอนที่คุณเดิน เท้าของคุณออกแรงผลักพื้นไปทางด้านหลัง จากนั้นพื้นก็ออกแรงผลักคุณไปทางด้านหน้าผ่านแรงเสียดทาน ถ้าพื้นผิวให้แรงเสียดทานได้ไม่พอ แรงผลักไปข้างหน้านั้นก็จะน้อยเกินไปและทำให้เดินได้ยาก

คำถามเช็กในใจข้อเดียวที่ช่วยกันพลาดได้เกือบหมด

ถ้าแรงสองแรงที่มีขนาดเท่ากันและทิศตรงข้ามดูเหมือนควรหายไป ให้ถามเพียงข้อเดียวว่า: มันกระทำต่อวัตถุชิ้นเดียวกันหรือไม่? ถ้าคำตอบคือไม่ แรงคู่นั้นก็ไม่ใช่คู่แรงที่หักล้างกันในแผนภาพวัตถุอิสระเดียว

ลองฝึกตรวจสอบคู่แรงแบบใกล้เคียงกัน

เลือกอันตรกิริยาในชีวิตประจำวันสักอย่าง เช่น การผลักกำแพงหรือการกระโดดจากพื้น เขียนคู่แรงออกมาเป็นคำพูดก่อนวาดรูปใด ๆ: "แรงของคุณที่กระทำต่อกำแพง" และ "แรงของกำแพงที่กระทำต่อคุณ" นิสัยนี้จะช่วยให้ใช้กฎข้อที่สามของนิวตันได้ง่ายขึ้นมากในโจทย์กลศาสตร์ที่ยากขึ้น