หลายๆคนคงมีประสบการณ์มาบ้างแล้วว่า
ในการที่จะหยุดวัตถุ ที่กำลังเคลื่อนที่ ความเร็วไม่ใช่เพียงปัจจัยเดียว
ที่มีผลต่อการออกแรงต้านการเคลื่อนที่เพื่อให้วัตถุหยุด
โดยในความเป็นจริงแล้ว มวลของวัตถุ ก็มีผลต่อการออกแรงต้าน
ด้วยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ความพยายามในการออกแรงต้านการเคลื่อนที่
เพื่อทำการหยุดรถจักรยานเทียบกับรถยนต์ ในช่วงเวลาเท่าๆกัน
โดยทั้งคู่มีความเร็วเท่ากัน จะพบว่า แรงต้านที่ใช้
มีความแตกต่างกันเป็นอย่างมาก เนื่องจากของทั้งสองสิ่งมีมวลต่างกันอย่างมาก
ปริมาณที่แสดงถึงความสัมพันธ์ ระหว่างความเร็วและมวลของวัตถ
ุที่กำลังเคลื่อนที่ เรียกว่า โมเมนตัม ซึ่งบางครั้งก็จะเรียกปริมาณนั้นให้เฉพาะลงไปว่า
โมเมนตัมเชิงเส้น
นิยามสำหรับโมเมนตัมเชิงเส้นของวัตถุมวล
m เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว
เขียนได้ดังนี้
โมเมนตัมนี้เป็นปริมาณเวกเตอร์
มีหน่วยในระบบ SI เป็น kg ms-1
ดังนั้นจากตัวอย่างที่ยกมาแสดงว่า
รถจักรยานและรถยนต์ที่มีความเร็วเท่ากันแต่มีโมเมนตัมที่ต่างกัน
เนื่องจากรถยนต์มีมวลมากกว่า จึงมีโมเมนตัมมากกว่ารถจักรยาน
ถ้าการเคลี่อนที่ของวัตถุมวล
m เทียบกับจุดกำเนิดในพิกัดฉาก xyz โมเมนตัม สามารถเขียนได้เป็น
ผลรวมของโมเมนตัมเชิงเส้น จากส่วนประกอบย่อยทั้งสามในพิกัดฉากได้ดังนี้
กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน
ได้ให้ความสัมพันธ์ระหว่างแรง และโมเมนตัม
ตามสมการที่ 2-3 ดังนี้
สมการที่
(4-3) แสดงถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุมวล
m มีค่าเท่ากับแรงภายนอกที่กระทำลงบนวัตถุนั้น นอกจากนี้จะสังเกตได้ว่าถ้าไม่มีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุ
โมเมนตัม จะคงตัว
หมายความว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมเมื่อเทียบกับเวลา
หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือเมื่อ
วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว
สมการที่
(4-3) สามารถเขียนได้เป็น
เมื่อทำการ
integrate สมการที่ 4-4 โดยกำหนด limit ของการ integrate
ดังนี้
ณ
เวลา
โมเมนตัมของวัตถุมีค่า
และเมื่อเวลาผ่านไปเป็น โมเมนตัมของวัตถุเปลี่ยนไปเป็น
ดังนั้น
ปริมาณที่อยู่ทางขวามือของสมการที่
(4-5) เรียกว่า การดล (impulse) ของแรง สำหรับช่วงเวลา
โดยมีการกำหนดสัญลักษณ์ของ impulse ให้เป็น J ดังนั้น
กล่าวโดยสรุปคือ
การดลเนื่องจากแรงดล ที่กระทำต่อวัตถุ
มีค่าเท่ากับการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุ ซึ่งข้อสรุปดังกล่าวเรียกว่าเป็น
impulse - momentum theorem
การดลเป็นปริมาณเวกเตอร์
เช่นเดียวกับโมเมนตัม ซึ่งถ้าสังเกตจากสมการที่ (4-6)
จะพบว่าขนาดการดลก็คือพื้นที่ใต้กราฟของแรงกับเวลานั่นเอง
ซึ่งหากเราทราบว่า ขึ้นกับเวลาอย่างไรก็สามารถที่จะอินทิเกรตหาค่าของพื้นที่ใต้กราฟได้
|