ส่วนหนึ่งของซีรีส์เรื่อง |
กลศาสตร์คลาสสิก |
---|
โมเมนต์เป็นนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับผลคูณของระยะทางและปริมาณทางกายภาพ เช่น แรงหรือประจุไฟฟ้า โดยทั่วไป โมเมนต์จะถูกกำหนดโดยอ้างอิงจากจุดอ้างอิงคงที่ และอ้างอิงถึงปริมาณทางกายภาพที่อยู่ห่างจากจุดอ้างอิงนั้นไประยะหนึ่ง ตัวอย่างเช่น โมเมนต์ของแรงซึ่งมักเรียกว่าแรงบิดคือผลคูณของแรงที่กระทำต่อวัตถุและระยะทางจากจุดอ้างอิงไปยังวัตถุ โดยหลักการแล้ว ปริมาณทางกายภาพใดๆ ก็สามารถคูณด้วยระยะทางเพื่อสร้างโมเมนต์ได้ ปริมาณที่ใช้ทั่วไป ได้แก่ แรงมวลและ การกระจาย ตัวของประจุไฟฟ้ารายการตัวอย่างจะแสดงไว้ด้านล่าง
ในรูปแบบพื้นฐานที่สุด โมเมนต์คือผลคูณของระยะทางถึงจุดหนึ่ง ยกกำลัง และปริมาณทางกายภาพ (เช่น แรงหรือประจุไฟฟ้า) ณ จุดนั้น:
โดยที่เป็นปริมาณทางกายภาพ เช่น แรงที่กระทำต่อจุดหนึ่ง หรือประจุจุดหนึ่ง หรือมวลจุดหนึ่ง ฯลฯ หากปริมาณนั้นไม่ได้กระจุกตัวอยู่ที่จุดเดียวเท่านั้น โมเมนต์จะเป็นอินทิกรัลของความหนาแน่นของปริมาณนั้นต่ออวกาศ:
การกระจายของความหนาแน่นของประจุ มวล หรือปริมาณใดๆ ก็ตามที่กำลังพิจารณาอยู่ อยู่ที่ไหน
รูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นจะคำนึงถึงความสัมพันธ์เชิงมุมระหว่างระยะทางและปริมาณทางกายภาพ แต่สมการข้างต้นจะอธิบายคุณลักษณะสำคัญของโมเมนต์ นั่นคือการมีอยู่ของเงื่อนไขพื้นฐานหรือเงื่อนไขเทียบเท่า นั่นหมายความว่ามีโมเมนต์หลายค่า (หนึ่งค่าต่อค่าn แต่ละค่า ) และโมเมนต์โดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับจุดอ้างอิงที่วัดระยะทาง แม้ว่าสำหรับโมเมนต์บางโมเมนต์ (ในทางเทคนิค โมเมนต์ที่ไม่เป็นศูนย์ต่ำสุด) ความสัมพันธ์นี้จะหายไป และโมเมนต์จะกลายเป็นอิสระจากจุดอ้างอิง
ค่าn แต่ละค่า จะสอดคล้องกับโมเมนต์ที่ต่างกัน: โมเมนต์ที่ 1 สอดคล้องกับn = 1, โมเมนต์ที่ 2 สอดคล้องกับn = 2 เป็นต้น โมเมนต์ที่ 0 ( n = 0) บางครั้งเรียกว่าโมเมนต์โมโนโพลโมเมนต์ที่ 1 ( n = 1) บางครั้งเรียกว่าโมเมนต์ไดโพลและโมเมนต์ที่ 2 ( n = 2) บางครั้งเรียกว่าโมเมนต์ควอดรูโพล โดย เฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของการกระจายประจุไฟฟ้า
โมเมนต์ของมวล:
โดยถือว่าฟังก์ชันความหนาแน่นมีจำกัดและอยู่ในบริเวณใดบริเวณหนึ่ง นอกบริเวณนั้นศักย์ 1/ r อาจแสดงเป็นชุดของฮาร์โมนิกทรงกลม :
ค่าสัมประสิทธิ์นี้เรียกว่าโมเมนต์หลายขั้วและมีรูปแบบดังนี้:
โดยที่แสดงเป็นพิกัดทรงกลมเป็นตัวแปรของการอินทิเกรต อาจพบรายละเอียดที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นในหน้าต่างๆ ที่อธิบายเกี่ยวกับการขยายแบบหลายขั้วหรือโมเมนต์แบบหลายขั้วทรงกลม (อนุสัญญาในสมการข้างต้นนำมาจาก Jackson [1] – อนุสัญญาที่ใช้ในหน้าอ้างอิงอาจแตกต่างกันเล็กน้อย)
เมื่อแทนความหนาแน่นของประจุไฟฟ้าในความหมายหนึ่ง คือการฉายภาพของโมเมนต์ของประจุไฟฟ้า: คือ โมเมนต์โมโนโพล; คือ การฉายภาพของโมเมนต์ไดโพล; คือ การฉายภาพของโมเมนต์ควอดรูโพล ฯลฯ
การขยายแบบหลายขั้วใช้กับศักย์สเกลาร์ 1/ rซึ่งตัวอย่างได้แก่ ศักย์ไฟฟ้าและศักย์โน้มถ่วงสำหรับศักย์เหล่านี้ สามารถใช้สูตรนี้เพื่อประมาณความแรงของสนามที่เกิดจากการกระจายประจุ (หรือมวล) เฉพาะจุดโดยคำนวณโมเมนต์แรกๆ สำหรับr ที่ใหญ่เพียงพอ สามารถหาค่าประมาณที่เหมาะสมได้จากโมเมนต์โมโนโพลและไดโพลเท่านั้น ความแม่นยำที่สูงขึ้นสามารถทำได้โดยการคำนวณโมเมนต์ลำดับที่สูงกว่า สามารถใช้เทคนิคเพิ่มเติมเพื่อคำนวณพลังงานปฏิสัมพันธ์และแรงระหว่างโมเลกุลได้
เทคนิคนี้ยังใช้ในการกำหนดคุณสมบัติของการกระจายที่ไม่รู้จักได้ด้วย การวัดที่เกี่ยวข้องกับโมเมนต์หลายขั้วอาจนำมาใช้เพื่ออนุมานคุณสมบัติของการกระจายพื้นฐาน เทคนิคนี้ใช้ได้กับวัตถุขนาดเล็ก เช่น โมเลกุล[2] [3] แต่ยังใช้กับจักรวาลเองด้วย[4]ตัวอย่างเช่น เทคนิคที่ใช้ใน การทดลอง WMAPและPlanckเพื่อวิเคราะห์รังสี ไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล
ในผลงานที่เชื่อกันว่ามีต้นกำเนิดมาจากกรีกโบราณ คำว่า ῥοπή ( rhopḗแปลว่า "ความโน้มเอียง") สื่อถึงแนวคิดของช่วงเวลา และคำประกอบเช่น ἰσόρροπα ( isorropaแปลว่า "ความโน้มเอียงที่เท่ากัน") [5] [6] [7]บริบทของผลงานเหล่านี้คือกลศาสตร์และเรขาคณิตที่เกี่ยวข้องกับคันโยก[8]โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในผลงานที่มีอยู่ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นผลงานของอาร์คิมิดีสช่วงเวลาจะถูกชี้ให้เห็นด้วยสำนวนเช่น:
ยิ่งไปกว่านั้น ในเอกสารที่มีอยู่ เช่นThe Method of Mechanical Theoremsโมเมนต์ถูกใช้เพื่ออนุมานจุดศูนย์ถ่วงพื้นที่ และปริมาตรของรูปทรงเรขาคณิต
ในปี ค.ศ. 1269 วิลเลียมแห่งมอร์เบเคอได้แปลผลงานต่างๆ ของอาร์คิมิดีสและยูโตเชียสเป็นภาษาละตินคำว่า ῥοπή ถูกถอดอักษรเป็นropen [6]
ประมาณปี ค.ศ. 1450 Jacobus Cremonensisแปลคำว่า ῥοπή ในข้อความที่คล้ายกันเป็นคำภาษาละติน ว่า momentum ( แปลว่า "การเคลื่อนไหว" [10] ) [11] [6] : 331 คำเดียวกันนี้ยังคงอยู่ในคำแปลปี ค.ศ. 1501 โดยGiorgio Vallaและต่อมาโดยFrancesco Maurolico , Federico Commandino , Guidobaldo del Monte , Adriaan van Roomen , Florence Rivault , Francesco Buonamici , Marin Mersenne [5]และGalileo Galileiอย่างไรก็ตาม ทำไมจึงเลือกใช้คำว่าmomentumในการแปลTreccani ระบุว่าเบาะแสอย่างหนึ่ง ก็คือmomentoในยุคกลางของอิตาลี ซึ่งเป็นสถานที่ที่นักแปลในยุคแรกอาศัยอยู่นั้น ในความหมายที่เปลี่ยนไป หมายถึงทั้ง "ช่วงเวลาหนึ่ง" และ "ช่วงเวลาหนึ่งที่มีน้ำหนัก" (น้ำหนักจำนวนเล็กน้อยที่หมุนมาตราส่วน ) [b]
ในปี ค.ศ. 1554 ฟรานเชสโก เมาโรลิโกได้ชี้แจงถึงคำภาษาละตินว่าโมเมนตัมในผลงานPrologi sive sermonesต่อไปนี้คือคำแปลภาษาละตินเป็นภาษาอังกฤษที่มาร์แชลล์ คลาเกตต์ ให้ไว้ : [6]
“[...] น้ำหนักที่เท่ากันในระยะทางที่ไม่เท่ากันจะไม่มีน้ำหนักเท่ากัน แต่สำหรับน้ำหนักที่ไม่เท่ากัน [ในระยะทางที่ไม่เท่ากันเหล่านี้] อาจมีน้ำหนักเท่ากัน สำหรับน้ำหนักที่แขวนไว้เป็นระยะทางที่ไกลกว่านั้นจะมีน้ำหนักมากกว่า ดังจะเห็นได้จากเครื่องชั่งดังนั้น จึงมีกำลังหรือความแตกต่างของขนาดประเภทที่สามอยู่ ซึ่งแตกต่างกันไปตามทั้งตัววัตถุและน้ำหนัก และสิ่งนี้เรียกว่าโมเมนต์[ c]ดังนั้น ตัววัตถุจึงรับน้ำหนักจากทั้งปริมาณ [เช่น ขนาด] และคุณภาพ [เช่น วัสดุ] แต่สำหรับน้ำหนักนั้นรับโมเมนต์จากระยะทางที่แขวนไว้ ดังนั้น เมื่อระยะทางแปรผันตามน้ำหนัก โมเมนต์ [ของน้ำหนัก] ก็จะเท่ากัน ดังที่อาร์คิมิดีสได้สาธิตไว้ในThe Book on Equal Moments [d]ดังนั้นน้ำหนักหรือโมเมนต์เหมือนกับปริมาณต่อเนื่องอื่นๆ จะเชื่อมกันที่จุดสิ้นสุดร่วมกัน นั่นคือ ที่จุดร่วมของทั้งสองอย่าง เช่น จุดศูนย์กลางของน้ำหนัก หรือที่จุดสมดุล ปัจจุบัน จุดศูนย์กลางของแรงโน้มถ่วงในน้ำหนักใดๆ ก็ตามคือ จุดที่ไม่ว่าวัตถุจะถูกแขวนลอยบ่อยเพียงใดก็ตาม มักจะเอียงตั้งฉากเข้าหาศูนย์กลางจักรวาลอยู่เสมอ
นอกจากวัตถุ น้ำหนัก และโมเมนต์แล้ว ยังมีกำลังที่สี่ซึ่งเรียกว่าแรงผลักดันหรือแรง[e] อริสโตเติลได้ศึกษาเรื่องนี้ในหนังสือ On Mechanical Questionsและมันแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจาก [กำลังหรือขนาด] ทั้งสามประการที่กล่าวถึงข้างต้น [...]"
ในปี ค.ศ. 1586 ไซมอน สตีวินใช้คำในภาษาดัตช์ ว่า staltwicht ("น้ำหนักที่จอดไว้") แทนโมเมนตัมในบทDe Beghinselen Der Weeghconst
ในปี ค.ศ. 1632 กาลิเลโอ กาลิเลอีได้ตีพิมพ์บทสนทนาเกี่ยวกับระบบหลักสองระบบของโลกและใช้คำMomento ในภาษาอิตาลี ซึ่งมีความหมายหลายอย่าง รวมถึงคำที่บรรพบุรุษของเขาใช้ด้วย[12]
ในปี ค.ศ. 1643 โทมัส ซาลัสเบอรีได้แปลงานบางชิ้นของกาลิเลอีเป็นภาษาอังกฤษซาลัสเบอรีแปลคำว่า momentum ในภาษาละติน และคำว่า momento ในภาษาอิตาลี เป็นคำในภาษาอังกฤษว่าmoment [ f]
ในปี ค.ศ. 1765 คำภาษาละตินว่าmomentum inertiae ( ภาษาอังกฤษ : moment of inertia ) ถูกใช้โดยLeonhard Eulerเพื่ออ้างถึงปริมาณหนึ่งของChristiaan Huygens ใน Horologium Oscillatorium [ 13]งานของ Huygens ในปี ค.ศ. 1673 ที่เกี่ยวข้องกับการค้นหาศูนย์กลางของการแกว่งได้รับการกระตุ้นโดยMarin Mersenneซึ่งเสนอแนะให้เขาในปี ค.ศ. 1646 [14] [15]
ในปี พ.ศ. 2354 คำศัพท์ภาษาฝรั่งเศสmoment d'une force ( ภาษาอังกฤษ : โมเมนต์ของแรง ) เทียบกับจุดและระนาบ ใช้โดยSiméon Denis PoissonในTraité de mécanique [ 16]คำแปลภาษาอังกฤษปรากฏในปี พ.ศ. 2385
ในปีพ.ศ. 2427 เจมส์ ทอมสันเสนอ คำว่า แรงบิดในบริบทของการวัดแรงหมุนของเครื่องจักร (ด้วยใบพัดและโรเตอร์ ) [17] [18]ปัจจุบันไดนาโมมิเตอร์ถูกใช้เพื่อวัดแรงบิดของเครื่องจักร
ในปี 1893 Karl Pearsonใช้คำว่าโมเมนต์ที่ nและในบริบทของการวัดทางวิทยาศาสตร์ที่ปรับเส้นโค้ง[19] Pearson เขียนตอบJohn Vennซึ่งหลายปีก่อนหน้านี้ ได้สังเกตเห็นรูปแบบที่แปลกประหลาดซึ่งเกี่ยวข้องกับ ข้อมูล อุตุนิยมวิทยาและขอคำอธิบายถึงสาเหตุ[20]ในคำตอบของ Pearson มีการใช้การเปรียบเทียบนี้: "จุดศูนย์ถ่วง" เชิงกลคือค่าเฉลี่ยและ "ระยะทาง" คือค่าเบี่ยงเบนจากค่าเฉลี่ย ต่อมาได้พัฒนาเป็นโมเมนต์ในทางคณิตศาสตร์ความคล้ายคลึงระหว่างแนวคิดเชิงกลของโมเมนต์และ ฟังก์ชัน ทางสถิติที่เกี่ยวข้องกับผลรวมของ กำลังที่ nของค่าเบี่ยงเบนนั้นได้รับการสังเกตโดยหลายๆ คนก่อนหน้านี้ รวมถึงLaplace , Kramp , Gauss , Encke , Czuber , QueteletและDe Forest [ 21]