แรง (ฟิสิกส์)

ในทางฟิสิกส์ แรง คือ อันตรกิริยาใด ๆ เมื่อไม่มีการขัดขวางแล้วจะเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของวัตถุไป แรงที่สามารถทำให้วัตถุซึ่งมีมวลเปลี่ยนแปลงความเร็ว (ซึ่งรวมทั้งการเคลื่อนที่จากภาวะหยุดนิ่ง) กล่าวคือ ความเร่ง ซึ่งเป็นผลมาจากการใช้พลังงาน แรงยังอาจหมายถึงการผลักหรือการดึง แรงเป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดหรือทิศทาง วัดได้ในหน่วยของนิวตัน โดยใช้สัญลักษณ์ทั่วไปเป็น F

ตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตัน กล่าวว่าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุมีค่าเท่ากับอัตราของโมเมนตัมที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ถ้ามวลของวัตถุเป็นค่าคงตัว จากกฎข้อนี้จึงอนุมานได้ว่าความเร่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุในทิศทางของแรงลัพธ์และเป็นสัดส่วนผกผันกับมวลของวัตถุ

แนวคิดเกี่ยวกับแรง ได้แก่ แรงขับซึ่งเพิ่มความเร็วของวัตถุให้มากขึ้น แรงฉุดซึ่งลดความเร็วของวัตถุ และทอร์กซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วในการหมุนของวัตถุ ในวัตถุที่มีส่วนขยาย แรงที่ทำกระทำคือแรงที่กระทำต่อส่วนของวัตถุที่อยู่ติดกัน การกระจายตัวของแรงดังกล่าวเป็นความเครียดเชิงกล ซึ่งไม่ทำให้เกิดความเร่งของวัตถุมื่อแรงสมดุลกัน แรงที่กระจายตัวกระทำบนส่วนเล็ก ๆ ของวัตถุอาจเรียกได้ว่าเป็นความดัน ซึ่งเป็นความเคลียดอย่างหนึ่งและถ้าไม่สมดุลอาจทำให้วัตถุมีความเร่งได้ ความเครียดมักจะทำให้วัตถุเกิดการเสียรูปของวัตถุที่เป็นของแข็งหรือการไหลของของไหล

ในนิยามเบื้องต้นของแรงอาจกล่าวได้ว่า แรงคือ สิ่งที่ก่อให้เกิดความเร่ง เมื่อกระทำเดี่ยว ๆ ในความหมายเชิงปฏิบัติ แรงสามารถแบ่งได้เป็นสองกลุ่ม คือแรงปะทะ และแรงสนาม แรงปะทะจะต้องมีการปะทะทางกายภาพของสองวัตถุ เช่นค้อนตีตะปู หรือแรงที่เกิดจากก๊าซใต้ความกดดัน ก๊าซที่เกิดจากการระเบิดของดินปืนทำให้ลูกกระสุนปืนใหญ่พุ่งออกจากปืนใหญ่ ในทางกลับกัน แรงสนามไม่ต้องการการสัมผัสกันของสื่อกลางทางกายภาพ แรงโน้มถ่วง และ แม่เหล็กเป็นตัวอย่างของแรงชนิดนี้ อย่างไรก็ตาม โดยพื้นฐานแล้วทุกแรงเป็นแรงสนาม แรงที่ค้อนตีตะปูในตัวอย่างก่อนหน้านี้ ที่จริงแล้วเป็นการปะทะกันของแรงไฟฟ้าจากทั้งค้อนและตะปู แต่ทว่าในบางกรณีก็เป็นการเหมาะสมที่เราจะแบ่งแรงเป็นสองชนิดแบบนี้เพื่อง่ายต่อความเข้าใจ

ในแบบจำลองทางฟิสิกส์ เราใช้ระบบเป็นจุด กล่าวคือเราแทนวัตถุด้วยจุดหนึ่งมิติที่ศูนย์กลางมวลของมัน การเปลี่ยนแปลงเพียงชนิดเดียวที่เกิดขึ้นได้กับวัตถุก็คือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม (อัตราเร็ว) ของมัน ตั้งแต่มีการเสนอทฤษฎีอะตอมขึ้น ระบบทางฟิสิกส์ใด ๆ จะถูกมองในวิชาฟิสิกส์ดั้งเดิมว่าประกอบขึ้นจากระบบเป็นจุดมากมายที่เรียกว่าอะตอมหรือโมเลกุล เพราะฉะนั้น แรงต่าง ๆ สามารถนิยามได้ว่าเป็นผลกระทบของมัน นั่นก็คือเป็นการเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ที่มันได้รับบนระบบเป็นจุด การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่นั้นสามารถระบุจำนวนได้โดยความเร่ง (อนุพันธ์ของความเร็ว) การค้นพบของไอแซก นิวตันที่ว่าแรงจะทำให้เกิดความเร่งโดยแปรผกผันกับปริมาณที่เรียกว่ามวล ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับอัตราเร็วของระบบ เรียกว่ากฎข้อที่สองของนิวตัน กฎนี้ทำให้เราสามารถทำนายผลกระทบของแรงต่อระบบเป็นจุดใด ๆ ที่เราทราบมวล กฎนั้นมักจะเขียนดังนี้

ถ้ามวล m วัดในหน่วยกิโลกรัม และความเร่ง a วัดในหน่วย เมตรต่อวินาทีกำลังสอง แล้วหน่วยของแรงคือ กิโลกรัม-เมตร/วินาทีกำลังสอง เราเรียกหน่วยนี้ว่า นิวตัน: 1 N = 1 kg x 1 m/s²

สมการนี้เป็นระบบของสมการอนุพันธ์อันดับสอง สามสมการ เทียบกับเวกเตอร์บอกตำแหน่งสามมิติ ซึ่งเป็นฟังก์ชันกับเวลา เราสามารถแก้สมการนี้ได้ถ้าเราทราบฟังก์ชัน F ของ x และอนุพันธ์ของมัน และถ้าเราทราบมวล m นอกจากนี้ก็ต้องทราบเงื่อนไขขอบเขต เช่นค่าของเวกเตอร์บอกตำแหน่ง และ x และความเร็ว v ที่เวลาเริ่มต้น t=0

สูตรนี้จะใช้ได้เมื่อทราบค่าเป็นตัวเลขของ F และ m เท่านั้น นิยามข้างต้นนั้นเป็นนิยามโดยปริยายซึ่งจะได้มาเมื่อ มีการกำหนดระบบอ้างอิง (น้ำหนึ่งลิตร) และแรงอ้างอิง (แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อมันที่ระดับความสูงของปารีส) ยอมรับกฎข้อที่สองของนิวตัน (เชื่อว่าสมมติฐานเป็นจริง) และวัดความเร่งที่เกิดจากแรงอ้างอิงกระทำต่อระบบอ้างอิง เราจะได้หน่วยของมวล (1 kg) และหน่วยของแรง (หน่วยเดิมเป็น 1 แรงกิโลกรัม = 9.81 N) เมื่อเสร็จสิ้น เราจะสามารถวัดแรงใด ๆ โดยความเร่งที่มันก่อให้เกิดบนระบบอ้างอิง และวัดมวลของระบบใด ๆ โดยวัดความเร่งที่เกิดบนระบบนี้โดยแรงอ้างอิง

แรงมักจะไปรับการพิจารณาว่าเป็นปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ แต่ก็ยังมีปริมาณที่เป็นพื้นฐานกว่านั้นอีก เช่นโมเมนตัม (p = มวล m x ความเร่ง v) พลังงาน มีหน่วยเป็น จูล นั้นเป็นพื้นฐานน้อยกว่าแรงและโมเมนตัม เพราะมันนิยามขึ้นจากงาน และงานนิยามจากแรง ทฤษฎีพื้นฐานที่สุดในธรรมชาติ ทฤษฎีกลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไม่มีแนวคิดเรื่องแรงรวมอยู่ด้วยเลย

ถึงแม้แรงไม่ใช่ ปริมาณ ที่เป็นพื้นฐานที่สุดในฟิสิกส์ มันก็เป็นแนวคิดพื้นฐานที่แนวคิดอื่น ๆ เช่น งาน และ ความดัน (หน่วย ปาสกาล) นำไปใช้ แรงในบางครั้งใช้สับสนกับความเค้น

แรงทั้งหมดในจักรวาลอยู่บนพื้นฐานของการปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสี่ประการ คือ แรงนิวเคลียร์อย่างแข็งกับแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน จะกระทำในระยะทางที่สั้นมากคือในระดับอนุภาคภายในอะตอม เช่นนิวคลีออนในนิวเคลียส แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะกระทำในอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า และแรงโน้มถ่วงจะกระทำระหว่างมวล

แรงอื่นนอกเหนือจากนี้เป็นการปฏิสัมพันธ์ของแรงทั้งสี่แบบนี้ ตัวอย่างเช่น แรงเสียดทานเป็นปรากฏการณ์ของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ระหว่างอะตอมของสองพื้นผิวและหลักการการกีดกันของเพาลีที่จะไม่ให้อะตอมของทั้งสองผ่านเข้าหากันและกัน เช่นเดียวกันกับ แรงในสปริงตามกฎของฮุคเป็นผลมาจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและหลักการกีดกันที่ทำหน้าที่ร่วมกันเพื่อทำให้วัตถุอยู่ในตำแหน่งเดิมที่สมดุล แรงเข้าสู้ศูนย์กลางเป็นแรงเร่งที่เกิดขึ้นจากการเร่งความเร็วของการหมุนในกรอบอ้างอิงหนึ่ง

ทฤษฎีพื้นฐานของแรงถูกพัฒนาจากการรวมกันของแนวคิดที่ต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น ไอแซก นิวตัน ได้ตั้ง ทฤษฎีโน้มถ่วงสากล จะเป็นแรงที่ตอบสนองต่อวัตถุให้ตกลงมาสู้พื้นโลก ด้วยแรงดึงดูดระหว่างมวลของโลกกับดวงจันทร์ และแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์กับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะจักรวาล ไมเคิล ฟาราเดย์ และ เจมส์ เคิร์ก แม๊กซ์เวล สาธิตให้เห็นว่าแรงไฟฟ้า และแรงแม่เหล็ก สามารถรวมเป็นแรงเดียวกันได้ผ่าน ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

ในศตวรรษที่ 20 การพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมนำไปสู่ความเข้าใจสมัยใหม่ว่าแรงพื้นฐานทั้งสาม (ยกเว้นแรงโน้มถ่วง) เป็นปรากฏการณ์ของ สสาร (เฟอมิออนส์) ที่มีปฏิกิริยาโดยแลกเปลี่ยนกับ ปฏิอนุภาคที่เรียกว่า เกจ โบซอน แบบจำลองมาตรฐานฟิสิกส์ของอนุภาคนี้อนุมานถึงความคล้ายคลึงกันระหว่างแรง และทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคาดเดาการรวมตัวกันของแรงแบบอ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในทฤษฎีอิเล็กโตร-วีค ซึ่งได้รับการยืนยันในภายหลังโดยสังเกต ซึ่งรูปแบบที่สมบูรณ์ของแบบจำลองมาตรฐาน ได้ทำการสังเกตการณ์การสั่นของอนุภาคนิวทริโน ซึ่งบอกได้ว่าโมเดลมาตรฐานนั้นไม่สมบูรณ์

ทฤษฏีการรวมแรงครั้งใหญ่ ช่วยทำให้ การรวมกันของ อิเลคโตร-วีค ที่มีปฏิกิริยากับแรงนิวเคลียร์แบบแข็ง ช่วยกำจัดความเป็นไปได้ให้กับผู้คิดค้นทฤษฎีต่าง ๆ เช่น ซูเปอร์ซิทเมททรี (Supersymmetry) ที่ถูกเสนอเพื่อเป็นประโยชน์กับ ปัญหาทางฟิสิกส์ที่ยังไม่สามารถพิสูจน์ได้ นักฟิสิกส์ยังคงพยายามที่จะพัฒนาแบบจำลองเพื่อจะรวมแรงพื้นฐานทั้ง 4 เข้าด้วยกันซึ่งจะเรียกว่า ทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง (Theory of everything) ซึ่ง ไอส์ไตน์เคยพยายามทำแต่ได้ล้มเหลวลงไป แต่ปัจจุบันวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในการตอบคำถามนี้คือทฤษฎีสตริง

ทฤษฎีสนามควอนตัมจำลองแรงพื้นฐานสามชนิดแรกได้อย่างแม่นยำ แต่ไม่ได้จำลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมเอาไว้ อย่างไรก็ตาม แรงโน้มถ่วงควอนตัมบริเวณกว้าง สามารถ อธิบายได้ด้วย ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

แรงพื้นฐานทั้งสี่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ทั้งหมด รวมถึงแรงอื่น ๆ ที่สังเกตได้ เช่น แรงคูลอมบ์ (แรงระหว่างประจุไฟฟ้า) แรงโน้มถ่วง (แรงระหว่างมวล) แรงแม่เหล็ก แรงเสียดทาน แรงสู่ศูนย์กลาง แรงหนีศูนย์กลาง แรงปะทะ และ แรงสปริง เป็นต้น

แรงต่าง ๆ ยังสามารถแบ่งออกเป็น แรงอนุรักษ์ และแรงไม่อนุรักษ์ แรงอนุรักษ์จะเท่ากับความชันของพลังงานศักย์ เช่น แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงสปริง แรงไม่อนุรักษ์เช่น แรงเสียดทาน และแรงต้าน

เซอร์ ไอแซก นิวตัน นักวิทยาศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ศึกษาเรื่องแรงและได้อธิบายกฎสามข้อของแรงไว้ในหนังสือของท่าน คือ The Philosophiae Naturalis Principia Mathematica

1. หากไม่มีแรงมากระทำต่อวัตถุหนึ่ง วัตถุนั้นจะคงสภาพอยู่นิ่ง ส่วนวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วคงที่ในแนวตรง จนกว่าจะมีแรงอื่นมากระทำต่อวัตถุนั้น สูตร ∑F=0 (กฎของความเฉื่อย)

2. เมื่อมีแรงมากระทำต่อวัตถุหนึ่ง แรงนั้นจะเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุและทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง โดยความเร็วของวัตถุจะแปรผันตามแรงนั้น สูตร ∑F=ma (กฎของแรง)

3. เมื่อวัตถุหนึ่งออกแรงกระทำต่อวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง วัตถุที่ถูกกระทำจะออกแรงกระทำกลับในขนาดที่เท่ากัน สูตร Action=Reaction (กฎของแรงปฏิกิริยา)