กลศาสตร์คลาสสิค (classical Mechanics)
หนึ่งในวิชาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์
(และสอบผ่านโคตรยาก)
กลศาสตร์คลาสสิค เป็นวิชาที่ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆในธรรมชาติที่เราพบเห็นได้อย่างกว้างขวาง ตั้งแต่วิถีของกระสุนปืนใหญ่ไปจนถึงการส่งมนุษย์ไปเยือนดวงจันทร์ การหมุนตัวของนักสเก็ตน้ำแข็ง ไปจนถึง การโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์
ผู้ที่ได้เรียนวิชานี้ในระดับมหาวิทยาลัยล้วนแล้วแต่กล่าวเป็นเสียงเดียวกันถึงความยากในระดับโหดเหี้ยม ระบบที่เราเห็นว่าเรียบง่าย ไม่ว่าจะเป็นการกลิ้งของลูกฟุตบอลกลมๆ ไม้ที่วางพาดผนัง การแกว่งของชิงช้า เมื่อนำมาวิเคราะห์กลับมีความซับซ้อนอย่างมาก
สำหรับหลายคน แม้กลศาสตร์คลาสสิคจะดูไม่น่าตื่นเต้นเท่ากลศาสตร์ควอนตัม หรือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ แต่ในความจริง การถือกำเนิดของกลศาสตร์คลาสสิค เต็มไปด้วยเรื่องชวนพิศวงและน่าสนใจมากทีเดียว
ในสมัยโบราณ มนุษย์เริ่มต้นสร้างอารยธรรมจากเครื่องกลอย่างง่าย มีสิ่งปลูกสร้าง และระบบที่ช่วยอำนวยความสะดวกมากพอสมควร แต่ความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆและธรรมชาติยังมีอยู่อย่างจำกัด อีกทั้งที่มีอยู่ยังกระจัดกระจายไปตามสำนักต่างๆ และเจือไปด้วยความเชื่อเรื่องอำนาจลี้ลับเสียมาก
อริสโตเติล นักคิดยุคกรีกโบราณ สร้างทฤษฎีเกี่ยวกับฟิสิกส์ไว้มากมาย แม้ทุกวันนี้เรารู้ดีว่ามันผิดแทบจะทั้งหมด แต่ในแง่หนึ่งมันเป็นการพยายามอธิบายธรรมชาติในลักษณะที่เข้าใกล้วิทยาศาสตร์อย่างมาก แนวคิดของอริสโตเติลกลายเป็นสิ่งที่โลกตะวันตกยอมรับนับถือมานานราวสองพันปี
ผู้ที่ท้าทายแนวคิดนี้อย่างตรงไปตรงมาที่สุดคนหนึ่ง เป็นนักวิทยาศาสตร์อิตาเลียน ชื่อ กาลิเลโอ กาลิเลอี เขาเสนอการตรวจสอบทฤษฎีด้วยการเก็บข้อมูลและการทดลอง ซึ่งเป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุดในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ กาลิเลโอ อธิบายการตกของวัตถุอย่างอิสระ กฎของความเฉื่อย การเคลื่อนที่แบบโปรเจคไทล์ การแกว่งของลูกตุ้มอย่างง่าย ไว้อย่างถูกต้อง
วิถีการเคลื่อนที่ของกระสุนปืนใหญ่ ตามทฤษฎีของกาลิเลโอ เทียบกับอาริสโตเติล
แนวคิดหลายอย่างของกาลิเลโอปูทางให้เกิดการปฏิวัติครั้งสำคัญโดยมหาบุรุษโลกวิทยาศาสตร์ อย่าง เซอร์ ไอแซค นิวตัน ผู้เขียนหนังสือ ปรินซีเปีย ซึ่งภายในมีกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันและกฎแรงโน้มถ่วง รวมทั้งปรัชญาสำคัญเกี่ยวกับที่ว่างและเวลา
กล่าวได้ว่ารากฐานของกลศาสตร์คลาสสิคถูกวางไว้เรียบร้อยแล้ว
เมื่อเราเขียนแรงที่กระทำต่อวัตถุหนึ่งๆอย่างครบถ้วน กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันจะช่วยอธิบายว่าวัตถุนั้นจะมีสภาพการเคลื่อนที่เป็นอย่างไร แม้หลักการจะเรียบง่าย แต่ในทางปฏิบัติ การเขียนแรงที่กระทำต่อวัตถุให้ครบถ้วนเป็นทักษะที่ต้องฝึกฝน การนำกฎการเคลื่อนที่มาวิเคราะห์นั้นอาศัยคณิตศาสตร์ในระดับที่แตกต่างกันไปตามแต่ลักษณะของปัญหา ซึ่งต้องฝึกฝนอย่างมากเช่นกัน
หลังจากนั้นมา นักฟิสิกส์นำกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันไปวิเคราะห์ระบบต่างๆมากมาย กลศาสตร์คลาสสิคเติบโตงอกงามไปจนถึงช่วงปลายศตวรรษที่ 18 และต้นศตวรรษที่ 19 ได้เกิดการค้นพบครั้งสำคัญอีกครั้ง โดยโจเซฟ หลุยส์ ลากรานจ์ (Joseph-Louis Lagrange) นักฟิสิกส์อิตาเลียน-ฝรั่งเศส และ วิลเลียม โรวัน แฮมิลตัน (William Rowan Hamilton) นักฟิสิกส์ไอริช ทั้งสองสร้างกลศาสตร์คลาสสิคในรูปแบบของตนเองขึ้นมา ซึ่งทั้งสองแบบนี้สอดคล้องกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเป็นอย่างดี เพียงแต่กลศาสตร์รูปแบบใหม่เหล่านี้ช่วยให้นักฟิสิกส์แก้ปัญหากลศาสตร์ได้กว้างขึ้นมาก บางระบบที่กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันไม่มีหนทางวิเคราะห์ได้หรืออาจวิเคราะห์ได้อย่างยากเย็น เช่น การไถลของมวลไปตามผิวโค้งเรียบ ฯลฯ กลศาสตร์แบบลากรานจ์และฮามิลตัน สามารถวิเคราะห์ได้อย่างง่ายดาย
ในตอนนี้แนวทางทั้งสามของนิวตัน ลากรานจ์ และฮามิลตัน ได้กลายเป็นฐานสำคัญของกลศาสตร์คลาสสิคอันยิ่งใหญ่ เกิดการประยุกต์ใช้ขยับขยายไปยังระบบต่างๆมากมาย ทั้งแก๊ส ของไหล วัสดุ การโคจรของวัตถุในระบบสุริยะ ฯลฯ
การไถลของรถยนต์ไปตามผิวโค้งวิเคราะห์ด้วยกลศาสตร์แบบฮามิลตันและลากรานจ์ได้ง่าย
จนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 20 หรือราวๆร้อยปีก่อน มีการค้นพบกลศาสตร์รูปแบบใหม่ได้แก่
- อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ที่ใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เร็วเข้าใกล้แสงได้เป็นอย่างดี
-อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ที่ใช้อธิบายธรรมชาติของมวล ที่ว่าง เวลา และความโน้มถ่วงสูงๆได้ดี
- นักฟิสิกส์สร้างกลศาสตร์ควอนตัม ที่ใช้อธิบายธรรมชาติของอนุภาคเล็กๆในอะตอมได้ดี (ที่น่าสนใจคือ แนวทางหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมถูกสร้างขึ้นคล้ายกับกลศาสตร์ฮามิลตัน และต่อมาทฤษฎีสนามควอนตัมถูกสร้างขึ้นในลักษณะคล้ายกับกลศาสตร์แบบลากรานจ์)
กลศาสตร์รูปแบบใหม่เหล่านี้วางอยู่บนปรัชญาและแนวคิดพื้นฐานแตกต่างจากกลศาสตร์คลาสสิค และให้ผลลัพธ์แตกต่างจากกลศาสตร์คลาสสิคอย่างยิ่งในขอบเขตที่มันถูกสร้างขึ้น แต่เมื่อพิจารณาระบบที่มีลักษณะเข้าใกล้ขอบเขตของกลศาสตร์คลาสสิค พวกมันจะให้ผลลัพธ์ไม่ต่างจากกลศาสตร์คลาสสิคเลย
จะเห็นได้ว่ากลศาสตร์คลาสสิคนั้นเป็นรากฐานสำคัญที่งอกงามขึ้นเป็นการประยุกต์ใช้มากมาย และกลศาสตร์รูปแบบอื่นๆทุกรูปแบบยังต้องโน้มเข้าหามันในขอบเขตหนึ่ง และถ้าเราเชื่อว่าความเปลี่ยนแปลงทั้งปวงในเอกภพ มีพื้นฐานมาจากการเคลื่อนที่ของอะไรบางอย่าง กลศาสตร์คลาสสิคย่อมเป็นกุญแจดอกแรกที่สำคัญที่สุดในการทำความเข้าใจเอกภพอย่างไม่ต้องสงสัย
- 16
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
