รู้จักโมเมนตัมเชิงมุม (angular momentum)
ปริมาณสำคัญในการหมุนของสรรพสิ่ง
โมเมนตัมเชิงมุมเป็นปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่มีความสำคัญต่อการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ มันบ่งชี้ถึงความเฉื่อยเชิงการหมุนของวัตถุต่างๆ ในแง่ที่ว่าหากวัตถุมีโมเมนตัมเชิงมุมมากก็ยิ่งทำให้มันหยุดหมุนได้ยาก
คำว่าการหมุนในที่นี้ มีความหมายครอบคลุม ทั้งการหมุนรอบตัวเอง (spin) เช่น ลูกข่างที่หมุนรอบแกน และการเคลื่อนที่ไปรอบจุดๆหนึ่ง อย่างการเอาก้อนหินมาผูกเชือกแล้วหมุนเหวี่ยงไปรอบๆ
โลกของเรามีทั้งการหมุนรอบตัวเองที่ก่อให้เกิดกลางวันกลางคืน และการโคจรรอบดวงอาทิตย์ที่ทำให้เกิดฤดูกาล ดังนั้นโมเมนตัมเชิงมุมของโลกจึงมาจากทั้งสองส่วนนี้รวมกัน
นักฟิสิกส์พบว่าหากไม่มีแรงบิดมากระทำต่อระบบ โมเมนตัมเชิงมุมของระบบจะคงที่เสมอ นี่คือ กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม (Conservation of angular momentum) ที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติได้กว้างขวางในทุกระดับ
ย้อนกลับไปราว สี่ร้อยปีก่อน โยฮันเนส เคปเลอร์ ค้นพบว่า ดาวเคราะห์โคจรเป็นวงรีรอบดวงอาทิตย์ โดยในช่วงเวลาที่เท่ากัน วงโคจรจะกวาดพื้นที่ได้เท่ากันเสมอ เราเข้าใจการค้นพบของเคปเลอร์ได้ไม่ยาก เมื่อดาวเคราะห์โคจรใกล้ดวงอาทิตย์ มันจะเคลื่อนที่เร็ว แต่เมื่อมันโคจรอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ มันจะเคลื่อนที่ช้า และเมื่อลากเส้นจากตำแหน่งของดาวเคราะห์ไปยังดวงอาทิตย์จะได้พื้นที่เท่าเดิมเสมอ
ทำไมดาวเคราะห์จึงมีพฤติกรรมเช่นนี้?
คำตอบคือ เพราะโมเมนตัมเชิงมุมของดาวเคราะห์ขึ้นอยู่กับมวล ระยะห่างจากดวงอาทิตย์ และความเร็ว ทั้งสามอย่างนี้ ยิ่งมีค่ามากก็ยิ่งส่งผลให้โมเมนตัมเชิงมุมมีค่ามากตามไปด้วย
ในระหว่างที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ โมเมนตัมเชิงมุมของดาวเคราะห์มีค่าเท่าเดิมเสมอ ทำให้เมื่อดาวเคราะห์เข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์จนมีระยะห่างน้อย ความเร็วจะเพิ่มขึ้น เพื่อให้โมเมนตัมเชิงมุมเท่าเดิม แต่เมื่อดาวเคราะห์โคจรห่างออกไปจากดวงอาทิตย์จนมีระยะห่างมาก ความเร็วจะลดลง เพื่อให้โมเมนตัมเชิงมุมเท่าเดิม
นักสเก็ตน้ำแข็งที่หมุนตัวก็เช่นกัน เมื่อกางแขนขาออกจะทำให้ระยะห่างจากแกนกลางร่างกายมีค่ามาก และร่างกายจะหมุนช้า แต่เมื่อหุบแขนขาแนบชิดลำตัวจะทำให้ระยะห่างจากแกนกลางร่างกายมีค่าน้อย และร่างกายจะหมุนเร็วขึ้น เพื่อให้โมเมนตัมเชิงมุมมีค่าเท่าเดิม
น่ามหัศจรรย์ไหม?
สิ่งที่ใหญ่โตอย่างดาวเคราะห์มีพฤติกรรมการโคจรไม่ต่างอะไรกับการหมุนตัวของมนุษย์ตัวเล็กๆ
กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม ยังอธิบายถึงปรากฏการณ์น่าทึ่งต่างๆได้อย่างไม่น่าเชื่อ เช่น เมื่อนักฟิสิกส์ทำการทดลองวัดระยะห่างจากโลกไปถึงดวงจันทร์ก็พบว่าระยะห่างเพิ่มขึ้นทุกปี ราวๆปีละ 3.8 เซนติเมตร
เนื่องจากโลกหมุนรอบตัวเองช้าลงเล็กน้อยทุกปี เพราะแรงเสียดทานระหว่างโลกส่วนที่เป็นก้อนทรงกลมแข็งๆกับน้ำในมหาสมุทร ทำให้โลกหมุนรอบตัวเองช้าลง การที่โลกหมุนรอบตัวเองช้าลงทำให้โมเมนตัมเชิงมุมของโลกมีค่าลดลง แต่เนื่องจากเมื่อมองในภาพรวมแล้ว โมเมนตัมเชิงมุมของระบบโลกและดวงจันทร์ต้องมีค่าเท่าเดิม ดวงจันทร์จึงโคจรห่างออกจากโลกทีละน้อย เป็นการเพิ่มโมเมนตัมเชิงมุมของทั้งระบบให้คงที่นั่นเอง
นอกจากนี้ นักฟิสิกส์ยังสร้างทฤษฎีจากโมเมนตัมเชิงมุมเพื่ออธิบายธรรมชาติของอิเล็กตรอนได้ด้วย โดยนีลส์ บอร์ นักฟิสิกส์ชาวเดน มาร์ก สร้างสมมติฐานว่า โมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน มีค่าไม่ต่อเนื่อง
สมมติฐานของเขาถูกแสดงออกด้วยสมการทางคณิตศาสตร์อย่างชัดเจน และมันนำมาซึ่งการนำไปอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้อย่างยอดเยี่ยม เป็นการเปิดประตูโลกฟิสิกส์เข้าสู่ทฤษฎีควอนตัมที่เปลี่ยนแปลงโลกฟิสิกส์ไปตลอดกาล
- 20
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
