ฟิสิกส์

หน่วยการเรียนรู้ที่ 5 

งานและพลังงาน

1) แรงและงาน

งาน คือ ผลของแรงที่กระทำบนวัตถุ และทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง ซึ่งเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร (N.m) หน่วยนี้มีชื่อใหม่ว่า จูล (Joule, J)

         ในกรณีแรง F ที่มากระทำเป็นแรงคงตัวและการกระจัด S ของวัตถุอยู่ในแนวเดียวกับแรง ปริมาณงานที่แรง F กระทำจะมีค่าเท่ากับ

ผลคูณระหว่างขนาดของแรงและขนาดของการกระจัด W = FScosΘ

เมื่อ Θ เป็นมุมระหว่างทิศของแรงที่กระทำกับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุ งานที่เกิดจากแรงกระทำไม่อยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนของวัตถุจะหาได้จากผลคูณระหว่างขนาดของแรงองค์ประกอบในแนวการเคลื่อนที่กับขนาดการกระจัดของวัตถุที่เกิดขึ้นในช่วงที่แรงนี้กระทำดังนั้น…อ่านเพิ่มเติม

2) พลังงาน

พลังงาน (energy) คือ  ความสามารถในการทำงานได้ของวัตถุหรือสสารต่าง ๆ   พลังงานสามารถทำให้สสารเกิดการเปลี่ยนแปลงได้  เช่น ทำให้สสารร้อนขึ้น เกิดการเคลื่อนที่  เปลี่ยนสถานะเป็นต้น

            พลังงานที่นำมาใช้ในชีวิตประจำวันมีหลายรูปแบบ เช่น  พลังงานกล  พลังงานความร้อน พลังงานไฟฟ้า  พลังงานแสง  พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร์  เป็นต้น

           หน่วยของพลังงาน   พลังงานมีหน่วยเป็นจูล (J)

ประเภทของพลังงาน

พลังงานแบ่งออกเป็น  6 ประเภท ตามลักษณะที่เห็นได้ชัดเจน ซึ่งได้แก่

   1.  พลังงานเคมี (Chemical Encrgy)

        2.  พลังงานความร้อน (Thermal Energy)

        3.  พลังงานกล (Mechanical Energy)

        4.  พลังงานจากการแผ่รังสี (Radiant Energy)

        5.  พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy)

        6.  พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear Energy)…เพิ่มเติม

3) กฎการอนุรักษ์พลังงาน

ขณะวัตถุตกจากที่สูงลงมา แต่ละขณะวัตถุมีทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์เรียกว่า พลังงานกลรวมของวัตถุ เมื่อมีแต่แรงโน้มถ่วงโดยไม่มีแรงเสียดทานหรือแรงอื่นมากระทำต่อวัตถุแล้ว พลังงานกลรวมของวัตถุ ณ ตำแหน่งใด ๆ จะมีค่าคงตัวเสมอ ซึ่งเป็น กฎการอนุรักษ์พลังงานกล ถ้าปล่อยวัตถุจากจุดหยุดนิ่งจากที่สูง วัตถุจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงแต่ไม่มีพลังงานจลน์ และขณะวัตถุกำลังตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง พลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุจะลดลงเท่ากับพลังงานจลน์ของวัตถุที่เพิ่มขึ้น  ในทางกลับกัน ถ้าโยนวัตถุขึ้นจากพื้นด้วยความเร็ว ขณะวัตถุเคลื่อนที่สูงขึ้น พลังงานงานจลน์ของวัตถุจะลดลงเท่ากับพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่เพิ่มขึ้น

 ในสถานการณ์จริง ส่วนมากผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์มีค่าไม่คงตัว เพราะมีแรงเสียดทานไปต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ งานของแรงเสียดทานจะทำให้พลังงานกลของระบบส่วนหนึ่งเปลี่ยนไปเป็น...อ่านเพิ่มเติม

4) การประยุกต์กฎการอนุรักษ์พลังงานกล

  การประยุกต์กฎการอนุรักษ์พลังงานกล

          กฎการอนุรักษ์พลังงานกลสามารถนำมาใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจเรื่องนั้นๆ ได้ดีขึ้น เช่น การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย อาจเข้าใจได้ ดีขึ้นเมื่อใช้หลักการของพลังงานกลมาวิเคราะห์

          พิจารณาการเคลื่อนที่ของรถทดลองติดปลายสปริง (ดังรูป 5.11) ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย สมมติให้รถทดลองเริ่มต้นเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่มีการกระจัดมากที่สุดซึ่งพลังงานศักย์ยืดหยุ่นจะลดลงโดยส่วนที่ลดจะเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานจลน์  พลังงานศักย์ยืดหยุ่นจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมดขณะที่ผ่านที่ตำแหน่งสมดุลแล้วพลังงานจลน์จะลดลงและทำให้พลังงานศักย์ยืดหยุ่นเพิ่มขึ้น จนถึงตำแหน่งที่มีการกระจัดมากที่สุด ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานกล ดังนั้น อาจเลือกใช้ความจริงที่ว่า

พลังงานกลของระบบ ณ ตำแหน่งใดๆ        =     พลังงานศักย์ยืดหยุ่น ณ ตำแหน่งที่มีการกระจัดมากที่สุด

  การประยุกต์กฎการอนุรักษ์พลังงานกลยังอาจแสดงดังตัวอย่างต่างๆ ต่อไป...อ่านเพิ่มเติม

5) กำลัง (Power)

จากความรู้เรื่องงานพบว่า งานที่เกิดจะเกี่ยวข้องกับแรง และการกระจัดเท่านั้นไม่เกี่ยวกับปริมาณอื่น เช่น ไม่เกี่ยวข้องกับเวลา แต่ยังมีปริมาณที่เกี่ยวข้องกับ

นิยาม กำลัง คือ อัตราที่ทำงานหรืองานที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา

หน่วยของกำลัง คือ J/s หรือเรียกว่า Watt (วัตต์) "W"

การหากำลังของวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว V

กำลังม้า (horsepower, hp) คือ กำลังของม้า 1 ตัวหรืออัตราการทำงานของม้า 1 ตัว เช่น เครื่องยนต์ 10 hp สามารถทำงานเท่ากับม้า 10 ตัว หนึ่งกำลังม้า คือ งาน 33,000 ฟุต-ปอนด์ต่อหนึ่งนาที (ft-lb/min)

ม้าเดิน 165 ft ในเวลา 1 นาที และยกน้ำหนัก 200 lb ปริมาณงานที่ทำภายในเวลา 1 นาที คือ...อ่านเพิ่มเติม

6) เครื่องกล

เครื่องมือพื้นฐานบางชนิดใช้สำหรับสร้างพลังงาน  (modify forces)   ซึ่งหมายถึงเครื่องมืออย่างง่าย   เครื่องมือง่ายๆ  เช่นนี้อาจจะเพิ่มหรือลดแรง  ซึ่งใช้สำหรับเปลี่ยนทิศทางหรือหันเหไปในที่ซึ่งเครื่องจักรทำงาน  ตามธรรมดาเครื่องมืออย่างง่ายถูกจัดเป็นเครื่องมือในกลุ่มเดียวกัน  เช่น ชะแลง  (lever )   รอก (Pulley)  รอกขนาดใหญ่  (trackle block)   และกว้าน (  the  windlass )   ซึ่งทำงานเพื่อสนับสนุนในจุดจุดเดียว  รวมถึงพื้นที่ลาดเอียง  ( incline plane)   ตะปูควง  (screw )  และลิ่มหรือเหล็กงัด  ( wedge)   ซึ่งทำงานผ่านการสัมผัสบนผิวหน้าทั้งหมด   บางครั้งเฟือง ( toothed  wheel )   และเกียร์ธรรมดา  ( simple gear)   ก็ถูกรวมด้วยอยู่ในกลุ่มนี้

คานงัด (LEVERS)

คานงัดใช้สำหรับเพิ่มหรือลดแรงที่ใส่ลงไป   แบ่งออกเป็น 3  ประเภทด้วยกัน  ตามตำแหน่งของฟัลครัม   ถ้าหากฟัลครัมตั้งอยู่ระหว่างที่ใช้แรงกับแรงเสียดทาน  คานงัดประเภทนี้จะจัดอยู่ในประเภทแรก  (first type)  เมื่อแรงเสียดทานตั้งอยู่ระหว่างแรงที่ใช้กับฟัลครัม  คานงัดประเภทนี้จะจัดอยู่ในประเภทที่สอง  ( second type )  และถ้าแรงที่ใช้...อ่านเพิ่มเติม