ผลต่างระหว่างรุ่นของ "กลศาสตร์ดั้งเดิม"
เนื้อหาที่ลบ เนื้อหาที่เพิ่ม
ไม่มีความย่อการแก้ไข |
ไม่มีความย่อการแก้ไข |
||
บรรทัด 49:
|[[แรง]]||กิโลกรัม·เมตร·วินาที<sup>−2</sup>
|-
|[[
|-
|[[พลังงาน]]||กิโลกรัม·เมตร<sup>2</sup>·วินาที<sup>−2</sup>
บรรทัด 86:
ในกลศาสตร์ดั้งเดิม ความเร็วสามารถเพิ่มและลดได้โดยตรง ยกตัวอย่างเช่น ถ้ารถโดยสารประจำทางสายหนึ่งเดินทางด้วยความเร็ว 40 กม./ชม.ทิศตะวันตก แล้วมีรถจักรยานยนต์คันหนึ่งเดินทางด้วยความเร็ว 25 กม./ชม. ไปยังทิศตะวันออก เมื่อมองจากรถจักรยานยนต์ซึ่งมีอัตราเร็วต่ำกว่า รถโดยสารจะเดินทางด้วยความเร็ว 40-25 = 15 กม./ชม. ด้านทิศตะวันตก อีกด้านหนึ่ง ในด้านของรถโดยสารประจำทาง จะเห็นรถจักรยานเดินทางด้วยความเร็ว 15 กม./ชม. ด้านทิศตะวันออก ดังนั้นความเร็วสามารถเพิ่มหรือลดได้เป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งต้องจัดการโดยเวกเตอร์เชิงวิเคราะห์
ในทางคณิตศาสตร์ ถ้าความเร็วของวัตถุแรกให้เป็น '''u'''=u'''d''' และความเร็วของวัตถุที่สองให้เป็น '''v='''v'''e''' โดย v และ u เป็นอัตราเร็วของวัตถุแรก และวัตถุที่สองตามลำดับ และ '''d''' กับ '''e''' เป็น[[เวกเตอร์หนึ่งหน่วย]]ซึ่งแสดงถึงทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ ดังนั้นความเร็วของวัตถุแรกที่เห็นโดยวัตถุที่สอง คือ
<math>\mathbf{u}' = \mathbf{u} - \mathbf{v} \, .</math>
บรรทัด 110:
==== กรอบอ้างอิง ====
{{Main|กรอบอ้างอิงเฉื่อย|การแปลงแบบกาลิเลโอ}}ขณะที่ตำแหน่ง ความเร็ว และความเร่งของอนุภาคสามารถอธิบายได้ด้วยผู้สังเกตจากสถานะการเคลื่อนที่ใด ๆ ซึ่งกลศาสตร์ดั้งเดิมสามารถสมมุติได้ว่ากรอบอ้างอิงพิเศษที่อยู่ในธรรมชาติอยู่ในรูปแบบง่าย ๆ มีอยู่จริง โดยเรียกกรอบเหล่านี้ว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อย จากนิยามเบื้องต้น กรอบอ้างอิงเฉื่อยเป็นการมองจากสิ่ง ๆ หนึ่งที่ไม่มีแรงมากระทำมา กล่าวคือกรอบอ้างอิงเฉื่อยจะไม่เคลื่อนที่หรือเคลื่อนที่ด้วยคงที่ด้วยเส้นตรง กรอบเหล่านี้จะถูกกำหนดไว้โดยแหล่งที่สามารถยืนยันได้ที่เป็นแรงมากระทำต่อผู้สังเกต ซึ่งคือ สนาม เช่น [[สนามไฟฟ้า]] (เกิดจากประจุไฟฟ้าสถิต) [[สนามแม่เหล็ก]] (เกิดจากประจุที่เคลื่อนที่) [[สนามแรงโน้มถ่วง]] (เกิดจากมวล) และอื่น ๆ กรอบอ้างอิงไม่เฉื่อยเป็นการมองจากสิ่ง ๆ หนึ่งที่มีความเร่งโดยอ้างอิงจากกรอบอ้างอิงเฉื่อย และในกรอบอ้างอิงไม่เฉื่อย อนุภาคจะปรากฏว่ามีแรงอื่น ๆ มากระทำที่ไม่สามารถอธิบายได้โดยสนามที่มีอยู่ โดยเรียกได้หลายอย่างทั้ง แรงในนิยาย แรงเฉื่อย หรือแรงเทียม ซึ่งสมการของการเคลื่อนที่จะมีแรงเหล่านี้เพิ่มในสมการเพื่อให้ตรงต่อผลลัพธ์จากการสังเกตในกรอบที่มีความเร่ง ในทางปฏิบัติ กรอบอ้างอิงเฉื่อยขึ้นอยู่กับดาวที่อยู่ไกล (จุดที่อยู่ไกลมาก ๆ) ซึ่งไม่มีความเร่งถือเป็นการประมาณการที่ดีสำหรับกรอบอ้างอิงเฉื่อย
พิจารณากรอบอ้างอิงเฉื่อย 2 กรอบ คือ ''S'' และ ''S'<nowiki/>'' ผู้สังเกตแต่ละคนจะตีกรอบเหตุการณ์ให้อยู่ในพิกัดปริภูมิ-เวลาของ (''x'',''y'',''z'',''t'') สำหรับกรอบ ''S'' และ (''x'<nowiki/>'',''y'<nowiki/>'',''z'<nowiki/>'',''t'<nowiki/>'') ในกรอบ ''S'<nowiki/>'' โดยให้เวลาที่สังเกตนั้นเท่ากันในทุกกรอบอ้างอิง และถ้าเราให้ ''x ='' ''x'<nowiki/>'' เมื่อ ''t ='' 0 จากนั้นความสัมพพันธ์ระหว่างพิกัดปริภูมิ-เวลาของเหตุการณ์เดียวกันที่มองจาก ''S'' และ ''S''' ซึ่งเคลื่อนที่อยู่ด้วยความเร็วสัมพัทธ์ที่ ''U'' ในทิศทาง ''x'' คือ
''<var>x'</var> = x − u·t''
''<var>y'</var> = y''
''<var>z'</var> = z''
''<var>t'</var> = t''
โดยชุดสูตรเหล่านี้ถูกนิยามไว้ว่าเป็นการแปลงแบบกลุ่มหรือรู้จักในชื่อว่า การแปลงแบบกาลิเลโอ กลุ่มนี้มีข้อจำกัดในส่วนของกลุ่มปวงกาเร (Poincaré group) ที่ใช้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ซึ่งข้อจำกัดที่ว่าจะมีผลเมื่อความเร็ว ''u'' มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับ ''c'' หรือความเร็วแสง
การแปลงจะมีผลที่ตามมาดังนี้
'''v'''''<nowiki/>'<nowiki/>='''''v'''-'''u'''(ความเร็ว '''v'''''<nowiki/>'<nowiki/>''<nowiki/> ของอนุภาคจากมุมมองของ''S'' ช้ากว่า '''v''' จากมุมมองของ ''S'' ที่เท่ากับ '''u''')
'''a'''′ ''='' '''a''' (ความเร่งคงที่เสมอในกรอบอ้างอิงเฉื่อยใด ๆ)
'''F'''′ = '''F''' (แรงที่กระทำเท่าเดิมในกรอบอ้างอิงเฉื่อยใด ๆ)
ความเร็วแสงไม่ใช่ค่าคงที่ในกลศาสตร์ดั้งเดิม หรือไม่ใช่เป็นตำแหน่งพิเศษที่ถูกให้โดยความเร็วแสงในกลศาสตร์สัมพัทธภาพซึ่งตรงข้ามกับกลศาสตร์ดั้งเดิม
สำหรับบางปัญหา มันอาจจะต้องใช้พิกัดที่หมุนอยู่เป็นกรอบอ้างอิงเพื่อความสะดวกในการวิเคราะห์ปัญหา หรืออาจจะใช้กรอบอ้างอิงที่เหมาะสม หรืออาจเพิ่มแรงหนีสู่ศูนย์กลาง และ แรงโคริออลิส ซึ่งเป็นแรงเทียม
=== แรงในกฎข้อที่สองของนิวตัน ===
{{Main|แรง|กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน}}นิวตันเป็นคนแรกที่อธิบายความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างแรงและโมเมนตัม นักฟิสิกส์บางคนตีความกฎการเคลื่อนที่ข้อสองของนิวตันว่าเป็นนิยามของรงและมวล ในขณะที่คนอื่นพิจารณาให้มันเป็นสัจพจน์พื้นฐาน หากจะตีความอีกรูปแบบหนึ่งในผลที่ตามมาทางคณิตศาสตร์ที่เหมือนกัน หรือในทางประวัติศาสตร์เรียกว่า "กฎข้อที่สองของนิวตัน" ซึ่งก็คือ
<math>\mathbf{F} = {\mathrm{d}\mathbf{p} \over \mathrm{d}t} = {\mathrm{d}(m \mathbf{v}) \over \mathrm{d}t}</math>
ปริมาณ ''m'''''v''' ถูกเรียกว่า โมเมนตัม (คาโนนิคัล) แรงลัพธ์ของอนุภาคจะเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมของอนุภาคเมื่อเทียบกับเวลา เมื่อนิยามของความเร่งคือ '''a''' ''='' d'''v'''/d''t'' กฎสามารถเขียนในรูปที่ง่ายและคุ้นเคยกว่า คือ
<math>\bold{F}=m\bold{a}</math>
ถ้ารู้ว่าแรงที่กระทำต่ออนุภาคมีค่าคงที่ กฎของนิวตันข้อที่สองเพียงพอที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาค แต่ถ้าแรงใดแรงหนึ่งขึ้นกับความสัมพันธ์แบบอิสระ สามารถแทนความสัมพันธ์นั้นได้ในกฎของนิวตันข้อสอง จึงได้สมการเชิงอนุพันธ์สามัญ (Ordinary differential function) ซึ่งสามารถเรียกว่า ''สมการการเคลื่อนที่''
ยกตัวอย่างในกรณีหนึ่ง สมมุติว่าแรงเสียดทานกระทำเพียงบนอนุภาคเท่านั้นและสามารถจำลองโดยใช้ฟังก์ชันของความเร็วของอนุภาค เช่น
<math>\bold{F}_\mathrm{R}=-\lambda\bold{v}</math>
โดยให้ λ เป็นค่าคงที่บวก และสถานะของเครื่องหมายลบคือความเร็วตรงกันข้ามกับเวกเตอร์อ้างอิง ดังนั้นจะได้สมการการเคลื่อนที่ว่า
<math>-\lambda\bold{v}=m\bold{a}=m{\operatorname{d}\!\bold{v} \over \operatorname{d}\!t}</math><blockquote>ซึ่งสามารถแก้สมการได้โดยวิธีปริพันธ์แทนที่สมการเดิม</blockquote><math>\bold{v}=\bold{v}_0e^{{-\lambda t \over m}}</math>
โดยให้ '''v'''<sub>0</sub> เป็นความเร็วในขณะเริ่มต้น หมายความว่าความเร็วของอนุภาคมีการลดลงเชิงเอ็กซ์โพเนนเชียล ความเร็วมีค่าเข้าใกล้ 0 เมื่อเวลาผ่านไปนานขึ้น ในกรณีนี้ สามารถเทียบเท่าได้กับพลังงานจลน์ที่ถูกซับไปจากการเสียดทาน (กลายเป็นพลังงานความร้อนที่เกี่ยวเนื่องกับการอนุรักษ์พลังงาน) และอนุภาคเคลื่อนที่ช้าลง
=== งานและพลังงาน ===
| |||