การเคลื่อนที่, แรง, มวล, น้ำหนัก และการกระจัด (Motion, Force, Mass, Weight, and Displacement)

การทำความเข้าใจว่าวัตถุเคลื่อนที่อย่างไรและทำไม จึงเป็นรากฐานของวิศวกรรมเครื่องกลและโยธา กลศาสตร์ดั้งเดิม (Classical mechanics) ให้กฎเกณฑ์ในการกำหนดปริมาณทางกายภาพ และทำนายว่าวัตถุทางกายภาพจะมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อได้รับอิทธิพลจากภายนอก

ปริมาณทางกายภาพหลัก

• การเคลื่อนที่ (Motion): การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของวัตถุเมื่อเวลาผ่านไป
• การกระจัด (Displacement): ปริมาณเวกเตอร์ที่อ้างอิงถึงการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งโดยรวมของวัตถุ แตกต่างจากระยะทาง (ซึ่งเป็นเพียงระยะที่วัตถุเคลื่อนที่ไปทั้งหมด) การกระจัดมีทิศทางเฉพาะและวัดเป็นเส้นตรงที่สั้นที่สุดระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด
• มวล (Mass): การวัดปริมาณเนื้อสารในวัตถุพื้นฐาน ซึ่งแสดงถึงความต้านทานต่อความเร่งของวัตถุ (ความเฉื่อย) ในระบบ SI มวลวัดในหน่วย กิโลกรัม (kg)
• แรง (Force): การผลักหรือการดึงวัตถุซึ่งเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์กับวัตถุอื่น แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ (มีทั้งขนาดและทิศทาง) และวัดในหน่วย นิวตัน (N)
• น้ำหนัก (Weight): แรงที่กระทำต่อวัตถุเนื่องจากแรงโน้มถ่วง เนื่องจากน้ำหนักคือแรง จึงวัดในหน่วยนิวตัน ไม่ใช่กิโลกรัม มวลของวัตถุจะเท่ากันทุกที่ในจักรวาล แต่น้ำหนักจะขึ้นอยู่กับสนามโน้มถ่วงในพื้นที่นั้น
  • สูตร: $W = m \cdot g$ (โดยที่ $g$ คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ประมาณ $9.81 \, m/s^2$ บนโลก)

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (พื้นฐาน)

เซอร์ ไอแซก นิวตัน ได้ตั้งกฎสามข้อที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างวัตถุและแรงที่กระทำต่อวัตถุนั้น:

1. กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน (กฎแห่งความเฉื่อย): วัตถุที่หยุดนิ่งจะยังคงหยุดนิ่ง และวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะยังคงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิมและในทิศทางเดิม เว้นแต่จะมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำ
2. กฎข้อที่สองของนิวตัน: ความเร่งของวัตถุที่เกิดจากแรงลัพธ์ จะแปรผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ์ มีทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์ และแปรผกผันกับมวลของวัตถุ
   • สูตร: $F = m \cdot a$
3. กฎข้อที่สามของนิวตัน: สำหรับทุกแรงกิริยา (action) จะมีแรงปฏิกิริยา (reaction) ที่มีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงกันข้ามเสมอ

ความหมายทางวิศวกรรม

ในทางวิศวกรรม แนวคิดเหล่านี้ถูกใช้งานอย่างต่อเนื่อง วิศวกรโครงสร้างใช้แนวคิดเรื่องแรงเพื่อให้แน่ใจว่าอาคารสามารถรองรับน้ำหนักของตัวมันเองและน้ำหนักบรรทุกจากสิ่งแวดล้อมได้โดยไม่เกิดการเคลื่อนที่ (สถิตยศาสตร์) วิศวกรเครื่องกลใช้แนวคิดเรื่องการเคลื่อนที่และมวลในการออกแบบเครื่องยนต์และเครื่องจักรที่กำลังเคลื่อนที่ ซึ่งความเร่งและความเฉื่อยเป็นสิ่งสำคัญ (พลศาสตร์)