เรามองเห็นการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆ รอบตัวเราตลอดเวลา วัตุต่างๆสามารถเคลื่อนที่ไปได้หลายทิศทาง บางชนิดเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง เช่น รถที่ขับตรงไปบนถนน หรือเมื่อเราโยนสิ่งของลงมาจากที่สูง มันจะตกลงมาตรงๆ แต่วัตถุบางชนิดเคลื่อนที่เป็นวงโค้ง เช่น ม้าหมุนในงานวัด การหมุนลูกข่าง หรือการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์รอบโลก วัตถุสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและถอยหลังกลับได้ เช่น การแกว่งชิงช้า การเคลื่อนที่หลายทิศทางนี้ สามารถสังเกตุเห็นและวัดได้
เมื่อเราสังเกตุวัตถุหนึ่งๆ การที่เราจะบอกได้ว่าวัตถุนั้นกำลังเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง เราจะต้องเปรียบเทียบวัตถุนั้นกับตำแหน่งของวัตถุอื่นๆ เรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ (Relative motion) ตัวอย่างเช่น เมื่อเรานั่งรถไฟออกไปนอกเมือง เมื่อเรามองออกไปนอกหน้าต่าง เราจะเห็นต้นไม้สองข้างทางเคลื่นอผ่านเราไป อันที่จริงแล้วต้นไม้นั้นยืนต้นอยู่กับที่ ส่วนที่กลังเคลื่อนที่คือตัวเราที่นั่งอยู่บนรถไฟ
การเคลื่อนที่ คืออะไร
เมื่อมองวัตถุแบบเปรียบเทียบ จะพบว่าวัตถุที่มองเห็นว่ากำลังเคลื่อนที่นั้นจริงๆ แล้วมันอยู่กับที่ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ กรอบอ้างอิง (frame of reference) ของตัวเธอหรือวัตถุที่เธอใช้บันทึกการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น เมื่อนักแข่งจักรยานในสนามกำลังปั่นจักรยานให้เคลื่อนไปข้างหน้า ตัวเขาเองจะไม่รู้สึกว่าจักรยานเคลื่อนที่ นั่นเพราะตัวเขาอยู่ในกรอบอ้างอิงเดียวกับจักรยานที่กำลังเคลื่อนที่ ขณะที่คนดูเห็นว่าทั้งนักแข่งและจักรยานกำลังเคลื่อนที่
อัตราเร็วและความเร็ว (speed and velocity)
อัตราเร็วและความเร็วเป็นวิธีวัดการเคลื่อนที่
อัตราเร็ว คือ หน่วยวัดการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุ เราสามารถหาอัตราเร็วเฉลี่ยของวัตถุได้ โดยการหารระยะทางที่เคลื่อนที่ได้ด้วยระยะเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่นั้น เช่น รถยนต์วิ่งได้ระยะทาง 150 กิโลเมตรในเวลา 2 ชั่วโมง อัตราเร็วเฉลี่ยการวิ่งของรถยนต์คันนี้คือ 75 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
ความเร็ว คือการวัดทั้งอัตราเร็วและทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่ ทิศทางการเคลื่อนที่ เช่น ขึ้นเหนือ ลงใต้ ไปทางซ้าย ไปทางขวา เป็นต้น การบ่งชี้ความเร็ว เช่น การวิ่งของเครื่องบินจากรันเวย์ขึ้นสู่ท้องฟ้า เครื่องบินมีการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็วที่เพิ่มขึ้นและเปลี่ยนทิศทางการเคลื่นที่ขึนสู่ท้องฟ้า ความเร็วที่เพิ่มขึ้นนี้ เรียกว่า ความเร่ง หมายถึงอัตราเร็วหรือทิศทางที่เปลี่ยนแปลงขณะวัตถุกำลังเคลื่อนที่ ความเร่งอาจทำให้วัตุคลื่อนที่เร็วขึ้นหรือช้าลงก็ได้
แรงและการเคลื่อนที่
แรงคือการผลักหรือดึง สามารถทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่ หรือทำให้วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่หยุดนิ่งได้ รวมถึงทำให้เกิดการเปลี่ยนทิศทาง ช้าลง หรือเร็วขึ้น
แรงที่ทำให้การเคลื่อนที่ของวัตถุมีการเปลี่ยนแปลง อาจกระทำโดยการสัมผัสตรงต่อวัตถุ เช่น การเตะลูกฟุตบอลด้วยเท้า แต่แรงบางชนิด เช่น แรงโน้มถ่วงของโลก ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ตกจากที่สูงลงมาพื้นดินได้ แม้แรงนั้นจะไม่ได้สัมผัสตรงต่อวัตถุ
แรงลัพธ์
เราสามารถนำแรงมารวมกันได้หลายวิธี ตัวอย่างที่ดีคือ การเล่นชักเย่อ จำนวนผู้เล่นแต่ละฝ่ายที่มากขึ้นจะทำให้เกิดการรวมแรงของแต่ละฝ่าย ถ้าฝ่ายใดมีแรงลัพธ์รวมกันน้อยกว่าอีกฝ่ายก็จะแพ้ แต่ถ้าทั้งสองฝ่ายมีแรงลัพธ์เท่ากับ เชือกก็จะไม่ขยับ
การเคลื่อนที่และแรง
ความเฉี่อย (inertia) คือการต้านทานในตัววัตถุต่อแรงที่มาทำให้เกิดการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น เมื่อเรากำลังวิ่ง และเท้าไปสะดุดก้อนหิน ทำให้เราหยุดอย่างกระทันหัน แม้ว่าเท้าของเราจะหยุดเคลื่อนที่แล้วแต่อวัยวะส่วนอื่นของร่างกายส่วนอื่นอาจหยุดไม่ทันทำให้เราเสียการทรงตัวและล้มได้ ความต้านทานของร่างการต่อการหยุดเคลื่อนที่กระทันหันนี้เองคือความเฉื่อย
แรงเสียดทาน (friction)
เมื่อเราถูฝ่ามือไปมา เราจะรู้สึกร้อนที่ฝ่ามือ ความร้อนที่เกิดขึ้นนี้เป็นผลจากการถูวัตถุเข้าด้วยกัน เรียกว่าแรงเสียดทาน ซึ่งจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นกับลักษณะพื้นผิวของวัตถุ วัตถุผิวเรียบมีแรงเสียดทานน้อยกว่าวัตถุที่มีผิวหยาบ และยังขึ้นกับแรงหรือน้ำหนักที่ใช้กดผ่านวัตถุด้วย เช่น การเดินบนแผ่นน้ำแข็ง เราจะลื่นและไถลไปได้เร็ว แต่เพื่อนของเราที่มีน้ำหนักมากว่าจะไถลไปได้ช้ากว่า เราสามารถลดแรงเสียดทานบนแผ่นน้ำแข็งลื่นได้โดยการใส่รองเท้าที่มีปุ่ม ทำให้เดินได้ง่ายขึ้น
แรง มวล และพลังงาน
แรงโน้มถ่วง เป็นแรงที่ดึงดูดวัตถุเข้าหากัน แรงจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นกับน้ำหนักวัตถุและระยะห่างระหว่างวัตถุ วัตถุที่มีมวลมากจะมีแรงโน้มถ่วงมาก ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด คือ เมื่อเราโยนลูกบอลขึ้นไปบนอากาศ ลูกบอลจะตกลงกลับลงมา การที่ลูกบอลไม่ลอยสูงขึ้นไปเรื่อยๆ เป็นเพราะโลกมีมวลมากกว่าลูกบอล แรงโน้มถ่วงของโลกจึงออกแรงดึงดูดลูกบอลให้กลับมาใกล้โลก
แรงโน้มถ่วงมีผลต่อน้ำหนักของวัตถุด้วย เมื่อมวลคือเนื้อสารที่มีอยู่ในวัตถุ ขณะที่การชั่งน้ำหนักเป็นการวัดอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อมวลของวัตถุ แรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกันจึงมีผลทำให้น้ำหนักของวัตถุแตกต่างกันแม้จะมีมวลเท่ากัน เมื่อเราชั่งน้ำหนักตัวเราบนโลกที่มีแรงโน้มถ่วงมากกว่าดวงจันทร์ น้ำหนักของเราจะมากกว่าที่ชั่งบนดวงจันทร์
การวัดขนาดของแรง
วิธีหนึ่งที่ใช้วัดขนาดของแรงได้ คือ การใช้เครื่องชั่งสปริงแบบแขวน โดยการแขวนวัตถุไว้ที่ตะขอด้านล่างของเครื่องชั่ง ทำให้สปริงของเครื่องชั่งยืดตัวออก น้ำหนักของวัตถุจะสัมพันธ์กับการยืดตัวของสปริง ถ้าปสริงยืดตัวมากแสดงว่าวัตถุมีน้ำหนักมาก เครื่องชั่งสปริงจะถูกออกแบบให้ตัวเลขแสดงน้ำหนักที่สัมพันธ์กับการยืดตัวของสปริง
การวัดแรงมีหน่วยเป็นนิวตัน แรงขนาดหนึ่งนิวตันมีขนาดประมาณการยกแอปเปิ้ลหนึ่งผลขึ้นมาจากพื้น
นิวตัน เป็นชื่อของเซอร์ไอแซค นิวตัน นักวิทยาศาสตร์ผู้ค้นพบกฎของแรงและการเคลื่อนที่นั่นเอง
การเคลื่อนที่และพลังงาน
งาน (work) คือความสามารถของวัตถุในการเคลื่อนที่ และจะทำให้เกิดงานได้ต้องใช้พลังงาน (energy)
พลังงานจลน์ (kinetic energy) คือพลังงานที่ใชบ้ในการเคลื่อนที่ ทุกสิ่งที่เคลื่อนที่ได้ต้องมีพลังงานจลน์ ไม่ว่าการเคลื่อนที่นั้นเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย เช่นการกลิ้งลูกแก้วไปบนพื้น หรือการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ เช่นการส่งจรวดไปดวงนั้น ล้วนต้องใช้พลังงานจลน์ในการเคลื่อนที่เหมือนกัน วัตถุที่มีมวลมากและมีความเร็วสูงกว่าจะมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุน้ำหนักเบาและเคลื่อนที่ช้าๆ
พลังงานอีกแบบหนึ่ง คือ พลังงานศักย์ (potential energy) ซึ่งเป็นพลังงานที่กักเก็บไว้ในวัตถุเพื่อเตรียมไว้สำหรับการเคลื่อนที่ เมื่อเด็กขึ้นไปบนกระดานลื่นและนั่งลงเตรียมพร้อมที่จะลื่นไถลลงมา พลังงานที่เด็กจะใช้ในการทำให้ตัวเองลื่นลงมาได้นั้น คือพลังงานศักย์ และเมื่อเด็กเริ่มเลื่อนตัวลงมา พลังงานศักย์ที่เก็บไว้จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์เพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ได้อย่างต่อเนื่อง
การเปลี่ยนแปลงของพลังงาน
ปริมาณของพลังงานที่มีอยู่ในวัตถุไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ แต่มันสามารถเปลี่ยนรูปแบบของพลังงานได้ เช่น การเปลี่ยนจากพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์สลับไปมาในระหว่างการแกว่งชิงช้า เมื่อชิงช้าแกว่งขึนไปที่จุดสูงสุดชิิงช้าจะหยุดนิ่งอึดใจ พลังงานของมันจะอยู่ในรูปพลังงานศักย์ เมื่อชิงช้าแกว่งลงมามันจะเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานจลน์ สลับไปมา เช่นนี้ไปเรื่อยๆ
