กลศาสตร์

กลศาสตร์ () เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ว่าด้วยความสัมพันธ์ระหว่างแรง สสาร และการเคลื่อนที่ของวัตถุทางกายภาพ แรงที่กระทำต่อวัตถุอาจส่งผลให้มีการกระจัด ซึ่งเป็นการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุที่สัมพัทธ์กับสิ่งแวดล้อม

การอธิบายเชิงทฤษฎีของสาขาในฟิสิกส์นี้มีรากฐานมาจากอารยธรรมกรีซโบราณ อาทิ งานเขียนของอาริสโตเติลและอาร์คิมิดีสDugas, Rene. A History of Classical Mechanics. New York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, New Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2. ในช่วงสมัยใหม่ตอนต้น นักวิทยาศาสตร์ อาทิ กาลิเลโอ กาลิเลอี โยฮันเนส เคปเลอร์ คริสตียาน เฮยเคินส์ และไอแซก นิวตันเป็นผู้วางรากฐานที่นำไปสู่สาขาที่ปัจจุบันเรียกว่ากลศาสตร์ดั้งเดิม

ในคริสต์ศตวรรษที่ 20 แนวคิดของกลศาสตร์ดั้งเดิมถูกท้าทายด้วยการค้นพบใหม่ นำไปสู่แนวทางพื้นฐานใหม่ รวมถึงกลศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัม

 ประเภทของวัตถุเชิงกล 
คำว่า วัตถุ ที่มีการใช้บ่อยครั้ง จำเป็นต้องใช้แทนวัตถุหลายประเภทมาก ได้แก่ อนุภาค วัตถุวิถีโค้ง ยานอวกาศ ดาวฤกษ์ ส่วนของเครื่องกล ส่วนของของแข็ง และส่วนของของไหล (แก๊สและของเหลว) เป็นต้น

ความแตกต่างอื่นระหว่างสาขาย่อยของกลศาสตร์ว่าด้วยธรรมชาติของวัตถุที่นำมาบรรยาย อนุภาคเป็นวัตถุที่มีโครงสร้างภายในน้อย (เท่าที่ทราบ) ซึ่งในทางกลศาสตร์ดั้งเดิมจะพิจารณาว่าเป็นจุดทางคณิตศาสตร์ วัตถุแข็งเกร็งมีขนาดและรูปร่าง แต่ยังคงมีความเรียบง่ายใกล้เคียงกับอนุภาค โดยเพิ่มเพียงสิ่งที่เรียกว่า องศาความเป็นอิสระ อาทิ การกำหนดทิศทางในปริภูมิ

นอกจากนี้ วัตถุอาจเป็นกึ่งแข็งเกร็ง คือยืดหยุ่นได้ หรือไม่แข็งเกร็ง คือเป็นของไหล หัวข้อเหล่านี้ได้รับการศึกษาทั้งในกรอบของกลศาสตร์ดั้งเดิมและกลศาสตร์ควอนตัม

ตัวอย่าง อาทิ การเคลื่อนที่ของยานอวกาศ ทั้งในแง่ของวงโคจรและท่าทาง (การหมุน) อธิบายได้ด้วยทฤษฎีเชิงสัมพัทธภาพของกลศาสตร์ดั้งเดิม ขณะที่การเคลื่อนไหวในลักษณะเดียวกันของนิวเคลียสของอะตอมจะอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม

 สาขาย่อย 
ต่อไปนี้คือการจัดหมวดหมู่สามสาขาหลัก ซึ่งประกอบด้วยหัวข้อที่ศึกษาในวิชากลศาสตร์

ทั้งนี้ควรสังเกตว่ามี "ทฤษฎีของสนาม" ซึ่งเป็นสาขาที่แยกต่างหากของฟิสิกส์ ในทางทฤษฎี ถือว่าแตกต่างจากกลศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นสนามดั้งเดิมหรือสนามควอนตัมก็ตาม แต่ในทางปฏิบัติ หัวข้อที่อยู่ในกลศาสตร์และทฤษฎีสนามมีความเชื่อมโยงกัน อาทิ แรงที่กระทำต่ออนุภาคมักได้มาจากสนาม (เช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าหรือสนามโน้มถ่วง) และอนุภาคสร้างสนามขึ้นโดยทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิด นอกจากนี้ ในกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคถือเป็นสนาม ซึ่งอธิบายในเชิงทฤษฎีด้วยฟังก์ชันคลื่น

 แบบดั้งเดิม 

ต่อไปนี้เป็นสาขาที่จัดอยู่ในขอบเขตของกลศาสตร์ดั้งเดิม
 กลศาสตร์นิวตัน ว่าด้วยทฤษฎีดั้งเดิมว่าด้วยการเคลื่อนที่ (จลนศาสตร์) และแรง (พลศาสตร์)
 กลศาสตร์วิเคราะห์ ว่าด้วยการจัดรูปใหม่ของกลศาสตร์นิวตัน โดยเน้นที่พลังงานของระบบมากกว่าแรง มีสองสาขาหลักของกลศาสตร์วิเคราะห์คือ
 กลศาสตร์แฮมิลตัน ว่าด้วยรูปนัยนิยมเชิงทฤษฎีที่ตั้งอยู่บนหลักการอนุรักษ์พลังงาน
 กลศาสตร์ลากร็องฌ์ ว่าด้วยรูปนัยนิยมเชิงทฤษฎีอีกแบบหนึ่ง ที่ตั้งอยู่บนหลักแอคชันต่ำสุด (least action)
 กลศาสตร์สถิติดั้งเดิม ว่าด้วยการขยายกลศาสตร์ดั้งเดิมสามัญไปสู่การพิจารณาระบบที่ไม่ทราบสถานะ มักใช้ในการหาคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์
 กลศาสตร์ท้องฟ้า ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของวัตถุในอวกาศ เช่น ดาวเคราะห์ ดาวหาง ดาวฤกษ์ ดาราจักร ฯลฯ
 กลศาสตร์วงโคจร ว่าด้วยการนำทางและการเคลื่อนที่ของยานอวกาศ ฯลฯ
 กลศาสตร์ของแข็ง ว่าด้วยสภาพยืดหยุ่น สภาพพลาสติก หรือสภาพหยุ่นหนืด ที่แสดงออกโดยของแข็งที่เปลี่ยนรูปได้
 กลศาสตร์การแตกหัก 
 สวนศาสตร์ ว่าด้วยเสียง (ความหนาแน่น การแปรผัน และการแผ่) ในของแข็ง ของไหล และแก๊ส)
 สถิตยศาสตร์ ว่าด้วยวัตถุกึ่งแข็งเกร็งในสมดุลกล 
 กลศาสตร์ของไหล ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของของไหล
 ปฐพีกลศาสตร์ ว่าด้วยพฤติกรรมเชิงกลของดิน
 กลศาสตร์ภาวะต่อเนื่อง ว่าด้วยความเครียดและการถ่ายทอดแรงผ่านวัสดุที่ใช้เป็นแบบจำลองสำหรับตัวกลางแบบต่อเนื่อง
 ชลศาสตร์ ว่าด้วยคุณสมบัติเชิงกลของของเหลว
 สถิตยศาสตร์ของไหล ว่าด้วยของเหลวในสมดุล
 กลศาสตร์ประยุกต์ (หรือวิศวกรรมเครื่องกล)
 ชีวกลศาสตร์ ว่าด้วยของแข็ง ของไหล ฯลฯ ในชีววิทยา
 ชีวฟิสิกส์ ว่าด้วยกระบวนการทางกายภาพของสิ่งมีชีวิต
 กลศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพหรือกลศาสตร์ไอน์สไตน์

 แบบควอนตัม 

ต่อไปนี้เป็นสาขาที่จัดอยู่ในขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัม
 กลศาสตร์คลื่นแบบชเรอดิงเงอร์ ว่าด้วยการใช้ในการอธิบายการเคลื่อนไหวของฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคเดี่ยว
 กลศาสตร์เมทริกซ์ ว่าด้วยรูปแบบทางเลือกแบบหนึ่งที่สามารถพิจารณาระบบที่มีปริภูมิสถานะมิติจำกัดได้
 กลศาสตร์สถิติเชิงควอนตัม ว่าด้วยการขยายกลศาสตร์ควอนตัมสามัญไปสู่การพิจารณาระบบที่ไม่ทราบสถานะ มักใช้ในการหาคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์
 ฟิสิกส์อนุภาค ว่าด้วยการเคลื่อนที่ โครงสร้าง และพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐาน
 ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ว่าด้วยการเคลื่อนที่ โครงสร้าง และปฏิกิริยาของนิวเคลียส
 ฟิสิกส์สสารควบแน่น ว่าด้วยแก๊สควอนตัม ของแข็ง ของเหลว ฯลฯ

 แบบสัมพัทธภาพ 

ในทำนองเดียวกับความแตกต่างระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและกลศาสตร์ดั้งเดิม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ขยายขอบเขตของการกำหนดกลศาสตร์ตามแนวคิดของนิวตันและกาลิเลโอ ความแตกต่างระหว่างกลศาสตร์สัมพัทธภาพกับกลศาสตร์นิวตันมีความสำคัญ และมีบทบาทเด่นชัด เมื่อความเร็วของวัตถุเข้าใกล้อัตราเร็วของแสง  ตัวอย่าง อาทิ ในกลศาสตร์นิวตัน พลังงานจลน์ของอนุภาคอิสระคือ  ในทางตรงกันข้าม ในกลศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพ พลังงานนี้เป็น  (โดยที่  คือตัวคูณลอเรนซ์ ซึ่งสูตรนี้จะลดรูปเป็นรูปนิพจน์ของนิวตันในขีดจำกัดพลังงานต่ำ)

สำหรับกระบวนการที่มีพลังงานสูง กลศาสตร์ควอนตัมจำเป็นต้องได้รับการปรับให้สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาของทฤษฎีสนามควอนตัม

 ดูเพิ่มเติม 
กลศาสตร์ประยุกต์
กลศาสตร์เชิงคอมพิวเตอร์
พลศาสตร์
วิศวกรรม
วิศวกรรมเครื่องกล
จลนศาสตร์
จลนพลศาสตร์
สถิตยศาสตร์

 เชิงอรรถและอ้างอิง 

 อ่านเพิ่มเติม 


 Practical Mechanics for Boys (1914) by James Slough Zerbe.

 แหล่งข้อมูลอื่น 

 Physclips: Mechanics with animations and video clips จาก มหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์
 The Archimedes Project


หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์
หมวดหมู่:กลศาสตร์