งานและพลังงาน
-
-
ในวิชาฟิสิกส์กำหนดว่า พลังงานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของระบบ ที่บ่งถึงขีดความสามารถในการทำงาน
พลังงานมีหลายรูปแบบ เช่น พลังงานกล พลังงานเคมี พลังงานแผ่รังสี พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ เป็นต้น
พลังงานต่างๆจะมีความสัมพันธ์ระหว่างกัน
ในทางฟิสิกส์จำแนกพลังงานกลออกเป็น 2 ประเภท คือ พลังงานจลน์ และ พลังงานศักย์
-
พลังงานของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ เรียกว่า พลังงานจลน์ ( Ek )
เมื่อ Ek = พลังงานจลน์ของวัตถุ มีหน่วยเป็น จูล ( J )
m = มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็น กิโลกรัม ( kg )
v = ความเร็วของวัตถุ มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที ( m/s )ตัวอย่าง ลูกปืนมวล 0.002 กิโลกรัม เคลื่อนที่ออกจากลำกล้องปืนซึ่งยาว 0.80 เมตร ด้วยอัตราเร็ว 400 เมตรต่อวินาที จงหาพลังงานจลน์ของลูกปืน
วิธีทำ Ek
Ek = ½ ( 0.002 )( 400 )2
Ek = 160 Jความสัมพันธ์ระหว่างงานและพลังงานจลน์
ถ้าเราทำให้วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อยู่นั้นไปทำงานอย่างหนึ่ง ปริมาณงานที่ทำได้ทั้งหมดจะเท่ากับพลังงานจลน์ของวัตถุนั้นเปลี่ยนไป
เมื่อ W = ปริมาณงานที่ทำ มีหน่วยเป็น จูล ( J )
Ek = พลังงานจลน์ที่เปลี่ยนไป มีหน่วยเป็น จูล ( J )
ตัวอย่าง รถยนต์มวล 800 กิโลกรัม ขณะแล่นด้วยความเร็ว 72 กิโลเมตรต่อชั่วโมง คนขับใช้ห้ามล้อ รถเคลื่อนที่ต่อไปอีก 10 เมตรจึงหยุด
-
- นิ่ง งานเนื่องจากแรงต้านที่ทำให้รถหยุดมีค่าเท่าใด
- วิธีทำ W = Ek
- Ek = Ek2 - Ek
- Ek = 0 - ½ ( 800 ) ( 72x103/3600)
- Ek = - 8x103 J
-
W = - 8x103 Jตัวอย่าง ออกแรง 20.0 นิวตัน ดึงวัตถุให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว บนพื้นที่มีแรงเสียดทานได้การกระจัด 3.0 เมตร จงหางานที่ทำโด
- แรงเสียดทาน
- วิธีทำ W = Ek
- Ek = Ek2 - Ek
- Ek = 0 , ( Ek2 = Ek1 )
- W = ( F – f )s
- W = Fs – fs = WF – Wf
- WF – Wf = 0 , ( W = Ek )
- WF = Wf
- Fs = Wf = (20)(3) = 60 J
-
-
( Potential Energy , Ep )
พลังงานศักย์ซึ่งเป็นพลังงานประเภทหนึ่งของพลังงานกลในทางฟิสิกส์ คือ พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุอันเนื่องมาจากตำแหน่งของวัตถุ เช่น
พลังงานศักย์โน้มถ่วง คือพลังงานของวัตถุซึ่งอยู่ในที่สูง เกิดขึ้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อวัตถุนั้น
-
-
จาก W = F.s เมื่อ F = mg , s = h
-
W = mg.h
- และ W = Ep
-
-
เมื่อ Ep คือ พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็น จูล ( J )
m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็น กิโลกรัม ( kg )
g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาทียกกำลังสอง ( m/s2 )
h คือ ความสูงของวัตถุจากพื้น มีหน่วยเป็น เมตร ( m )ตัวอย่าง นักกายกรรมหนัก 600 นิวตัน ไต่เชือกที่แขวนอยู่ในแนวดิ่งขึ้นไปสูง 10 เมตร จากพื้นดิน จงหาพลังงานศักย์โน้มถ่วงเมื่อเขาอยู่ที่จุดสูง 10 เมตรจากพื้นดิน
วิธีทำ Ep = mgh
Ep = ( 600 )( 10 )
Ep = 6x103 จูลพลังงานศักย์ยืดหยุ่น
คือ พลังงานศักย์ของวัตถุที่อยู่กับระยะยืดหรือหด เนื่องจากแรงยืดหยุ่นของวัตถุ
F x
F = kx
เมื่อ F คือ แรงดึงของวัตถุ ( N )
k คือ ค่านิจของสปริง ( N/m )
x คือ ระยะยืดหรือหดของวัตถุ ( m )
จาก W = F. s , F = แรงเฉลี่ย
ปริมาณงานที่ทำในการดึงหรือกดสปริงให้มีระยะเปลี่ยนไป x จะเท่ากับ ปริมาณนี้ก็คือ พลังงานศักย์ในสปริงตัวอย่าง สปริงอันหนึ่ง มีค่าคงตัวสปริงเท่ากับ 150 นิวตันต่อเมตร จงหา
ก. แรงที่ใช้ดึงสปริงขณะสปริงยืดออกจากเดิม 0.25 เมตร
ข. พลังงานศักย์ยืดหยุ่นเมื่อสปริงยืดออกจากเดิม 0.25 เมตร
-