การเคลื่อนที่ (ฟิสิกส์)

การเคลื่อนที่ในฟิสิกส์ หมายถึง การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุในช่วงเวลาหนึ่ง ถูกอธิบายด้วย การกระจัด ระยะทาง ความเร็ว ความเร่ง เวลา และอัตราเร็ว การเคลื่อนที่ของวัตถุจะถูกสังเกตได้โดยผู้สังเกตที่เป็นส่วนหนึ่งของกรอบอ้างอิง ทำการวัดการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุเทียบกับกรอบอ้างอิงนั้น

ถ้าตำแหน่งของวัตถุไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิง อาจกล่าวได้ว่าวัตถุนั้นอยู่นิ่งหรือตำแหน่งคงที่ (ระบบมีพลวัตแบบเวลายง) การเคลื่อนที่ของวัตถุจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ เว้นเสียแต่มีแรงมากระทำ

โมเมนตัมคือปริมาณที่ใช้ในการวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุ โมเมนตัมของวัตถุเกี่ยวข้องกับมวลและความเร็วของวัตถุ และโมเมนตัมทั้งหมดของวัตถุทั้งหมดในระบบโดดเดี่ยว (อย่างใดอย่างหนึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอก) ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาตามที่อธิบายไว้ในกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม

เนื่องจากไม่มีกรอบอ้างอิงที่แน่นอนดังนั้นจึงไม่สามารถระบุการเคลื่อนที่แบบสัมบูรณ์ได้ ดังนั้นทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลจึงสามารถเคลื่อนที่ได้

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

ในวิชาฟิสิกส์อธิบายการเคลื่อนที่ผ่านกฎของกลศาสตร์สองชุดที่ดูขัดแย้งกัน การเคลื่อนที่ของวัตถุใหญ่และวัตถุที่คล้ายกันในเอกภพ (เช่น ขีปนาวุธ ดาวเคราะห์ เซลล์และมนุษย์) อธิบายด้วยกลศาสตร์ดั้งเดิม ขณะที่การเคลื่อนที่ของวัตถุระดับอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมถูกอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ดั่งเดิมถูกใช้อธิบายการเคลื่อนที่วัตถุมหภาค ตั้งแต่ขีปนาวุธไปจนถึงชิ้นส่วนของเครื่องจักร เช่นเดียวกับวัตถุทางดาราศาสตร์ เช่น ยานอวกาศ ดาวเคราะห์และกาแลคซี ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมากในการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านี้ และเป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมและเทคโนโลยีที่เก่าแก่และใหญ่ที่สุด

กลศาสตร์ดั่งเดิมมีรากฐานมาจากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน กฎเหล้าอธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่มากระทำต่อวัตถุกับการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น โดยการรวบรวมของไอแซก นิวตัน ในหนังสือ 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 formula_1 คือ ความเร็วสุดท้าย formula_2 คือ ความเร็วเริ่มต้น formula_3 คือ ความเร่ง formula_4 คือ เวลา formula_5 คือ การกระจัด
ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่นั้นหมายความว่าความเร็วเริ่มต้นเป็นศูนย์จะได้ว่า

กลศาสตร์ควอนตัมคือชุดของหลักการที่อธิบายถึงความจริงทางกายภาพในระดับอะตอมของสสาร (โมเลกุลและอะตอม) และอนุภาคย่อยของอะตอม (อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอนและแม้แต่อนุภาคมูลฐานที่เล็กกว่าเช่นควาร์ก) คำอธิบายเหล่านี้รวมถึงพฤติกรรมที่เหมือนคลื่นและเหมือนอนุภาคของทั้งสสารและการแผ่รังสีตามที่อธิบายไว้ในความเป็นทวิภาคของคลื่น–อนุภาค

ในกลศาสตร์ดั่งเดิม การวัดและการทำนายสถานะของวัตถุสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ เช่น ตำแหน่ง และ ความเร็ว ในกลศาสตร์ควอนตัมเนื่องจากหลักความไม่แน่นอน สถานะที่สมบูรณ์ของอนุภาคย่อย เช่น ตำแหน่งและความเร็วไม่สามารถกำหนดได้พร้อม ๆ กัน

นอกจากการอธิบายการเคลื่อนที่ในระดับอะตอมแล้วกลศาสตร์ควอนตัมยังเป็นประโยชน์ในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่มีขนาดใหญ่เช่น ของไหลยวดยิ่ง สภาพนำยวดยิ่ง และระบบชีวภาพรวมทั้งการทำงานของเซลล์รับกลิ่นและโครงสร้างของโปรตีน

มนุษย์และสิ่งต่าง ๆ ในจักรวาลล้วนกำลังเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตามนอกเหนือจากการเคลื่อนที่ที่เห็นได้ชัดเจนของวัตถุต่าง ๆ และการเคลื่อนที่ของมนุษย์แล้ว ยังมีการเคลื่อนที่ที่เป็นเรื่องยากที่มนุษญ์ยากที่จะรับรู้ได้ด้วยเหตุผลสองประการคือ 1) กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเฉื่อย) ซึ่งทำให้มนุษย์ไม่รู้สึกถึงการเคลื่อนที่ของมวลที่อยู่ติดกัน 2) การขาดกรอบอ้างอิงที่ชัดเจนซึ่งจะช่วยให้สังเกตเห็นการเคลื่อนที่ได้ง่ายขึ้น
ปริภูมิ-เวลาที่กำลังขยายตัว โดยทั่วไปแล้วทุกสิ่งในจักรวาล เป็นของที่ยืดได้คล้ายกับแถบยาง การเคลื่อนที่นี้คลุมเครือมากที่สุดเพราะไม่ใช่การเคลื่อนที่ของวัตถุทั่วไป แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติของจักรวาลเอง ซึ่งเอ็ดวิน ฮับเบิล แสดงให้เห็นว่ากาแลคซีทั้งหมดและวัตถุทางดาราศาสตร์กำลังเคลื่อนที่ห่างออกไปตามกฎของฮับเบิล

ทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ไปในอวกาศ นักดาราศาสตร์หลายคนเชื่อว่าทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 600 กิโลเมตรต่อวินาที ของกาแลคซีที่อยู่ใกล้เคียง กรอบอ้างอิงอีกชุดหนึ่งคือรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล กรอบอ้างอิงนี้ชี้ให้เห็นว่าทางช้างเผือกกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 582 กิโลเมตรต่อวินาที

ทางช้างเผือกกำลังหมุนรอบศูนย์กลางความหนาแน่นของกาแล็กซี ดังนั้นดวงอาทิตย์กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมภายใต้แรงโน้มถ่วงของกาแล็กซี ซึ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางออกมาทางขอบด้านนอก โดยความเร็วโดยรวมของดาวฤกษ์อยู่ระหว่าง 210 ถึง 240 กิโลเมตรต่อวินาทีซึ่งดาวเคราะห์และดวงจันทร์ก็กำลังเคลื่อนที่ไปกับดวงอาทิตย์ด้วย นั้นหมายความว่าระบบสุริยะกำลังเคลื่อนที่อยู่ไปด้วยทฤษฎีการแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาคบอกเราว่าทวีปลอยอยู่บนกระแสการพาความร้อนภายในเนื้อโลก 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)เซลล์ของร่างกายมนุษย์มีโครงสร้างมากมายที่เคลื่อนที่ไปทั่วทั้งร่างกาย

ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ อนุภาคทั้งหมดของสสารมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มคงที่ตราบใดที่อุณหภูมิอยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ ดังนั้นโมเลกุลและอะตอมที่ทำให้ร่างกายมนุษย์มีการสั่นสะเทือน การชนและการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่นี้สามารถตรวจจับได้ว่าเป็นอุณหภูมิที่สูงขึ้นซึ่งเป็นตัวแทนของพลังงานจลน์ที่มากขึ้นในอนุภาคทำให้รู้สึกอบอุ่นกับมนุษย์ที่รู้สึกถึงพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนจากวัตถุที่สัมผัสกับเส้นประสาทของพวกเขา ในทำนองเดียวกันเมื่อสัมผัสวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำลงจะรู้สึกได้ว่ามีการถ่านเทความร้อนออกจากร่างกายทำให้รู้สึกเย็นแสงพุ่งออกไปด้วยอัตราเร็ว 299,792,458 เมตรต่อวินาที โดยประมาณ หรือ 299,792 กิโลเมตรต่อวินาที หรือ 186,282 ไมล์ต่อวินาที อัตราเร็วของแสง (หรือ formula_12) คือ อัตราเร็วของอนุภาคที่ไม่มีมวลและสนามที่สัมพันธ์กันในสูญญากาศ และเป็นขีดจำกัดของความเร็วที่วัตถุและข้อมูลสามารถเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นอัตราเร็วแสงจึงเป็นขีดจำกัดทางกายภาพ

นอกจากนี้อัตราเร็วแสงยังเป็นปริมาณที่คงที่ มีค่าเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งหรือความเร็วของผู้สังเกต คุณสมบัตินี้ทำให้ความเร็วของแสง เป็นหน่วยวัดตามธรรมชาติสำหรับความเร็ว