ฟิสิกส์ การเคลื่อนที่

ถ้าตำแหน่งของวัตถุไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิง อาจกล่าวได้ว่าวัตถุนั้นอยู่นิ่งหรือตำแหน่งคงที่ (ระบบมีพลวัตแบบเวลายง) การเคลื่อนที่ของวัตถุจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ เว้นเสียแต่มีแรงมากระทำ

โมเมนตัมคือปริมาณที่ใช้ในการวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุ โมเมนตัมของวัตถุเกี่ยวข้องกับมวลและความเร็วของวัตถุ และโมเมนตัมทั้งหมดของวัตถุทั้งหมดในระบบโดดเดี่ยว (อย่างใดอย่างหนึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอก) ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาตามที่อธิบายไว้ในกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม

เนื่องจากไม่มีกรอบอ้างอิงที่แน่นอนดังนั้นจึงไม่สามารถระบุการเคลื่อนที่แบบสัมบูรณ์ได้ ดังนั้นทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลจึงสามารถเคลื่อนที่ได้^: 20–21

การเคลื่อนที่ใช้ได้กับวัตถุ อนุภาค การแผ่รังสี อนุภาคของรังสี อวกาศ ความโค้ง และปริภูมิ-เวลาได้ อนึ่งยังสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของรูปร่างและขอบเขต ดังนั้นการเคลื่อนที่หมายถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในการกำหนดค่าของระบบทางกายภาพ ตัวอย่างเช่นเราสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของคลื่นหรือการเคลื่อนที่ของอนุภาคควอนตัมซึ่งการกำหนดค่านี้ประกอบด้วยความน่าจะเป็นในการครอบครองตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง

ในวิชาฟิสิกส์อธิบายการเคลื่อนที่ผ่านกฎของกลศาสตร์สองชุดที่ดูขัดแย้งกัน การเคลื่อนที่ของวัตถุใหญ่และวัตถุที่คล้ายกันในเอกภพ (เช่น ขีปนาวุธ ดาวเคราะห์ เซลล์และมนุษย์) อธิบายด้วยกลศาสตร์ดั้งเดิม ขณะที่การเคลื่อนที่ของบรรจงวัตถุระดับอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมถูกอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ดั่งเดิม

กลศาสตร์ดั่งเดิมถูกใช้อธิบายการเคลื่อนที่วัตถุมหภาค ตั้งแต่ขีปนาวุธไปจนถึงชิ้นส่วนของเครื่องจักร เช่นเดียวกับวัตถุทางดาราศาสตร์ เช่น ยานอวกาศ ดาวเคราะห์และกาแลคซี ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมากในการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านี้ และเป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมและเทคโนโลยีที่เก่าแก่และใหญ่ที่สุด

กลศาสตร์ดั่งเดิมมีรากฐานมาจากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน กฎเหล้าอธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่มากระทำต่อวัตถุกับการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น โดยการรวบรวมของไอแซก นิวตัน ในหนังสือ Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อ 5 กรกฎาคม ค.ศ. 1687 โดยกฎการเคลื่อนที่มีดังนี้

กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อของนิวตันนี้ เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แรก สำหรับการทำความเข้าใจการโคจรของวัตถุในอวกาศ ซึ่งเป็นการอธิบายภาพรวมการเคลื่อนที่ของเทห์ฟ้าและการเคลื่อนที่ของวัตถุบนผิวโลก

กลศาสตร์ดั่งเดิมได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ โดยสัมพัทธภาพพิเศษเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วของแสง ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ภายใต้แรงโน้มถ่วงในระดับลึก

เคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางใด ๆ เป็นระยะ ๆ ปกติจะเรียกว่า "การเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ" ตัวอย่างเช่นจักรยานเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงโดยมีความเร็วคงที่

สมการของเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอ

ถ้า ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$  คือ ความเร็วสุดท้าย ${\displaystyle {\overrightarrow {u}}}$  คือ ความเร็วเริ่มต้น ${\displaystyle {\overrightarrow {a}}}$  คือ ความเร่ง ${\displaystyle t}$  คือ เวลา ${\displaystyle {\overrightarrow {s}}}$  คือ การกระจัด

${\displaystyle {\overrightarrow {v}}={\overrightarrow {u}}+{\overrightarrow {a}}t}$ 
${\displaystyle {\overrightarrow {s}}={\overrightarrow {u}}t+{\frac {1}{2}}{\overrightarrow {a}}t^{2}}$ 
${\displaystyle {\overrightarrow {v^{2}}}={\overrightarrow {u^{2}}}+2{\overrightarrow {a}}{\overrightarrow {s}}}$ 

ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่นั้นหมายความว่าความเร็วเริ่มต้นเป็นศูนย์จะได้ว่า

${\displaystyle {\overrightarrow {v}}={\overrightarrow {a}}t}$ 
${\displaystyle {\overrightarrow {s}}={\frac {1}{2}}{\overrightarrow {a}}t^{2}}$ 
${\displaystyle {\overrightarrow {v^{2}}}=2{\overrightarrow {a}}{\overrightarrow {s}}}$ 

กลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ควอนตัมคือชุดของหลักการที่อธิบายถึงความจริงทางกายภาพในระดับอะตอมของสสาร (โมเลกุลและอะตอม) และอนุภาคย่อยของอะตอม (อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอนและแม้แต่อนุภาคมูลฐานที่เล็กกว่าเช่นควาร์ก) คำอธิบายเหล่านี้รวมถึงพฤติกรรมที่เหมือนคลื่นและเหมือนอนุภาคของทั้งสสารและการแผ่รังสีตามที่อธิบายไว้ในความเป็นทวิภาคของคลื่น–อนุภาค^{[ต้องการอ้างอิง]}

ในกลศาสตร์ดั่งเดิม การวัดและการทำนายสถานะของวัตถุสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ เช่น ตำแหน่ง และ ความเร็ว ในกลศาสตร์ควอนตัมเนื่องจากหลักความไม่แน่นอน สถานะที่สมบูรณ์ของอนุภาคย่อย เช่น ตำแหน่งและความเร็วไม่สามารถกำหนดได้พร้อม ๆ กัน^{[ต้องการอ้างอิง]}

นอกจากการอธิบายการเคลื่อนที่ในระดับอะตอมแล้วกลศาสตร์ควอนตัมยังเป็นประโยชน์ในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่มีขนาดใหญ่เช่น ของไหลยวดยิ่ง สภาพนำยวดยิ่ง และระบบชีวภาพรวมทั้งการทำงานของเซลล์รับกลิ่นและโครงสร้างของโปรตีน^{[ต้องการอ้างอิง]}

มนุษย์และสิ่งต่าง ๆ ในจักรวาลล้วนกำลังเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอ^: 8–9 อย่างไรก็ตามนอกเหนือจากการเคลื่อนที่ที่เห็นได้ชัดเจนของวัตถุต่าง ๆ และการเคลื่อนที่ของมนุษย์แล้ว ยังมีการเคลื่อนที่ที่เป็นเรื่องยากที่มนุษญ์ยากที่จะรับรู้ได้ด้วยเหตุผลสองประการคือ 1) กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเฉื่อย) ซึ่งทำให้มนุษย์ไม่รู้สึกถึงการเคลื่อนที่ของมวลที่อยู่ติดกัน 2) การขาดกรอบอ้างอิงที่ชัดเจนซึ่งจะช่วยให้สังเกตเห็นการเคลื่อนที่ได้ง่ายขึ้น

จักรวาล

ปริภูมิ-เวลาที่กำลังขยายตัว โดยทั่วไปแล้วทุกสิ่งในจักรวาล เป็นของที่ยืดได้คล้ายกับแถบยาง การเคลื่อนที่นี้คลุมเครือมากที่สุดเพราะไม่ใช่การเคลื่อนที่ของวัตถุทั่วไป แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติของจักรวาลเอง ซึ่งเอ็ดวิน ฮับเบิล แสดงให้เห็นว่ากาแลคซีทั้งหมดและวัตถุทางดาราศาสตร์กำลังเคลื่อนที่ห่างออกไปตามกฎของฮับเบิล

กาแล็กซี่

ทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ไปในอวกาศ นักดาราศาสตร์หลายคนเชื่อว่าทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 600 กิโลเมตรต่อวินาที ของกาแลคซีที่อยู่ใกล้เคียง กรอบอ้างอิงอีกชุดหนึ่งคือรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล กรอบอ้างอิงนี้ชี้ให้เห็นว่าทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 582 กิโลเมตรต่อวินาที

ดวงอาทิตย์และระบบสุริยะ

ทางช้างเผือกกำลังหมุนรอบศูนย์กลางความหนาแน่นของกาแล็กซี ดังนั้นดวงอาทิตย์กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมภายใต้แรงโน้มถ่วงของกาแล็กซี ซึ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางออกมาทางขอบด้านนอก โดยความเร็วโดยรวมของดาวฤกษ์อยู่ระหว่าง 210 ถึง 240 กิโลเมตรต่อวินาทีซึ่งดาวเคราะห์และดวงจันทร์ก็กำลังเคลื่อนที่ไปกับดวงอาทิตย์ด้วย นั้นหมายความว่าระบบสุริยะกำลังเคลื่อนที่อยู่ไปด้วย

โลก

• โลกกำลังหมุนหรือหมุนรอบแกน ผลที่เกิดตามมาก็คือกลางวันและกลางคืน โดยโลกหมุนรอบแกนหมุนไปทางทิศตะวันออกด้วยความเร็วที่เส้นศูนย์สูตรเป็น 0.4651 กิโลเมตรต่อวินาที (1040 ไมล์ต่อชั่วโมง)
• โลกกำลังโคจรรอบดวงอาทิตย์ในวงโคจรที่สมบูรณ์รอบดวงอาทิตย์ใช้เวลาหนึ่งปีหรือประมาณ 365 วัน ด้วยความเร็วประมาณ 30 กิโลเมตรต่อวินาที (67,000 ไมล์ต่อชั่วโมง)

ทวีป

ทฤษฎีการแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาคบอกเราว่าทวีปลอยอยู่บนกระแสการพาความร้อนภายในเนื้อโลก ทำให้แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่ไปบนผิวของดาวเคราะห์ ด้วยความเร็วประมาณ 1 นิ้ว (2.54 เซนติเมตร) ต่อปีอย่างไรก็ตามความเร็วของการเคลื่อนที่กำลังเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยแผ่นที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดคือแผ่นมหาสมุทรแผ่นโคโคสที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 75 มิลลิเมตรต่อปี (3 นิ้วต่อปี) และแผ่นแปซิฟิกที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 52 - 69 มิลลิเมตรต่อปี (2.1 - 2.7 นิ้วต่อปี) ส่วนแผ่นที่เคลื่อนที่ช้าที่สุดคือ แผ่นยูเรเชีย ที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 21 มิลลิเมตรต่อปี (0.8 นิ้วต่อปี)

วัตถุภายในร่างกาย

• หัวใจของมนุษย์กำลังเต้นอยู่ตลอดเวลาเพื่อสูบฉีดเลือดไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกายผ่านหลอดเลือดดำขนาดใหญ่และหลอดเลือดแดงในร่างกาย พบว่าเลือดไหลไปด้วยความเร็วประมาณ 0.33 เมตรต่อวินาที แม้ว่าจะมีการแปรผันอย่างมากและมีการไหลสูงสุดในหลอดเลือดเวนาคาวา ซึ่งอยู่ระหว่าง 0.1 - 0.45 เมตรต่อวินาที
• กล้ามเนื้อเรียบของอวัยวะภายใน ที่คุ้นเคยกันที่สุดคือ เพอริสทอลซิส ซึ่งเป็นการที่อาหารที่ถูกย่อยแล้วถูกบีบให้เคลื่อนที่ไปตลอดระบบทางเดินอาหาร ถึงแม้ว่าอาหารที่แตกต่างกันจะเดินเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันแต่โดยเฉลี่ยแล้วความเร็วเฉลี่ยผ่านลำไส้เล็กของมนุษย์คือ 2.16 เมตรต่อชั่วโมง (0.036 เมตรต่อวินาที)
• โดยปกติเสียงบางเสียงจะได้ยินได้ก็ต่อเมื่อเมื่อมีการสั่นสะเทือนของคลื่นเสียงเหล่านี้ไปถึงแก้วหูจึงจะสามารถได้ยินเสียงได้
• ระบบน้ำเหลืองจะมีการเคลื่อนย้ายของเหลวส่วนเกิน ไขมัน และระบบภูมิคุ้มกันที่เกี่ยวข้องทั่วร่างกาย พบว่าน้ำเหลืองเคลื่อนที่ผ่านท่อน้ำเหลืองของผิวหนังด้วยความเร็ว 0.0000097 เมตรต่อวินาที

เซลล์

เซลล์ของร่างกายมนุษย์มีโครงสร้างมากมายที่เคลื่อนที่ไปทั่วทั้งร่างกาย

• ไซโตพลามิก สตรีมมิ่งป็นวิธีที่เซลล์เคลื่อนย้ายสารโมเลกุลไปสู่ไซโทพลาซึม
• โปรตีนขับเคลื่อน ทำหน้าที่เป็น มอเตอร์โมเลกุลภายในเซลล์และเคลื่อนไปตามพื้นผิวของพื้นผิวเซลล์ต่าง ๆ เช่น ไมโครทิวบูล โปรตีนขับเคลื่อนมักจะถูกขับเคลื่อนโดยการย่อยสลายของ อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) และเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานกล ถุงที่ขับเคลื่อนโดยโปรตีนขับเคลื่อนพบว่ามีความเร็วประมาณ 0.00000152 เมตรต่อวินาที

อนุภาค

ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ อนุภาคทั้งหมดของสสารมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มคงที่ตราบใดที่อุณหภูมิอยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ ดังนั้นโมเลกุลและอะตอมที่ทำให้ร่างกายมนุษย์มีการสั่นสะเทือน การชนและการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่นี้สามารถตรวจจับได้ว่าเป็นอุณหภูมิที่สูงขึ้นซึ่งเป็นตัวแทนของพลังงานจลน์ที่มากขึ้นในอนุภาคทำให้รู้สึกอบอุ่นกับมนุษย์ที่รู้สึกถึงพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนจากวัตถุที่สัมผัสกับเส้นประสาทของพวกเขา ในทำนองเดียวกันเมื่อสัมผัสวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำลงจะรู้สึกได้ว่ามีการถ่านเทความร้อนออกจากร่างกายทำให้รู้สึกเย็น

อนุภาคย่อยของอะตอม

• ภายในอะตอมแต่ละอะตอม มีอิเล็กตรอน อยู่ในบริเวณรอบนิวเคลียส บริเวณนี้เรียกว่ากลุ่มหมอกอิเล็กตรอน ตามแบบจำลองอะตอมของบอร์ นิวเคลียส์ที่มีขนาดใหญ่ อิเล็กตรอนจะมีความเร็วในการโคจรสูง ถ้าอิเล็กตรอนเคลื่อนตัวไปบนเมฆอิเล็กตรอนในเส้นทางที่แน่นอน เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ที่โคจรไปรอบ ๆ ดวงอาทิตย์
• ภายในนิวเคลียสของอะตอม โปรตอนและนิวตรอนอาจเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ เนื่องจากแรงผลักของโปรตอนและการมีโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคทั้งสอง

แสงพุ่งออกไปด้วยอัตราเร็ว 299,792,458 เมตรต่อวินาที โดยประมาณ หรือ 299,792 กิโลเมตรต่อวินาที หรือ 186,282 ไมล์ต่อวินาที อัตราเร็วของแสง (หรือ ${\displaystyle c}$ ) คือ อัตราเร็วของอนุภาคที่ไม่มีมวลและสนามที่สัมพันธ์กันในสูญญากาศ และเป็นขีดจำกัดของความเร็วที่วัตถุและข้อมูลสามารถเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นอัตราเร็วแสงจึงเป็นขีดจำกัดทางกายภาพ

นอกจากนี้อัตราเร็วแสงยังเป็นปริมาณที่คงที่ มีค่าเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งหรือความเร็วของผู้สังเกต คุณสมบัตินี้ทำให้ความเร็วของแสง เป็นหน่วยวัดตามธรรมชาติสำหรับความเร็ว

• การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
• การเคลื่อนที่แนวตรง
• การเคลื่อนที่กลับไปมา (ตัวอย่างเช่น การสั่นสะเทือน)
• การเคลื่อนที่แบบสุ่ม (ตัวอย่างเช่น การสั่นสะเทือน)
• การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (กล่าวคือ การเคลื่อนที่ของอนุภาคแบบสุ่ม)
• การเคลื่อนที่แบบวงกลม (ตัวอย่างเช่น การโคจรรอบดาวเคราะห์)
• การเคลื่อนที่แบบหมุนรอบแกน – การเคลื่อนที่ที่มีจุดหมุนอยู่กับที่ (ตัวอย่างเช่น ชิงช้าสวรรค์)
• การเคลื่อนที่แนวโค้ง หมายถึงการเคลื่อนที่ตามแนวโค้งที่อาจเป็นแนวระนาบหรือในสามมิติ
• การเคลื่อนที่แบบหมุน
• การเคลื่อนที่แบบกลิ้ง – (แบบล้อของรถจักรยาน)
• การสั่น – (การแกว่งจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง)
• การสั่นสะเทือน
• การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

• การเคลื่อนที่แนวตรง
• การเคลื่อนที่แบบวงกลม
• การสั่น
• คลื่น
• โมเมนตัม
• การเคลื่อนที่สัมพัทธ์

• เครื่องกลอย่างง่าย
• โซ่คิเนแมติก
• กำลัง
• เครื่องกล
• การเคลื่อนที่ (เรขาคณิต)
• การกระจัด
• การเคลื่อนที่แนวตรง