WORK
And
ENERGY
งานและพลังงาน
งาน ( Work )
งาน หมายถึง แรงที่กระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแนวแรง ถ้าเราออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่ แสดงว่าไม่เกิดงาน
รูปแสดงการกระทำให้เกิดงานทางวิทยาศาสตร์
ปริมาณของงานขึ้นอยู่กับ
1. ขนาดของแรงที่ใช้
2. ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแนวแรง
3. ทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุตามแนวแรง
ตัวอย่างเช่น การออกแรงยกกล่องให้สูงขึ้น ทิศทางการเคลื่อนที่ของกล่องมีทิศทางเดียวกับแนวแรง การกระทำเช่นนี้เป็นการทำให้เกิดงานทางวิทยาศาสตร์
หน่วยของงานในระบบเอสไอ
หน่วยของงานในระบบเอสไอ คือ จูล (J) หรือนิวตัน-เมตร (N-m) โดยที่ 1 จูลของงานที่ทำเกิดจากการออกแรง 1 นิวตันกระทำต่อวัตถุให้วัตถุเคลื่อนที่ไปได้ 1 เมตร ตามทิศทางของแนวแรง
จากรูป
งานขนาด 1 จูลที่ทำได้เมื่อยกกล่องหนัก 1 นิวตันขึ้นไปในแนวดิ่งเป็นระยะทางสูง 1 เมตร ซึ่งเราอาจใช้หน่วยของงานที่ใหญ่กว่าจูล
เช่น กิโลจูล (kJ) เมกะจูล (MJ) เป็นต้น
เมื่อ
1 kJ = 1,000 J
1 MJ = 1,000,000 J
การคำนวณหางาน
ถ้าเราทราบขนาดของแรงที่กระทำต่อวัตถุ และระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปได้หลังจากถูกแรงกระทำแล้ว เราสามารถคำนวณหาปริมาณของงานได้จาก
งาน = แรง x ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ตามทิศทางของแนวแรง
ถ้ากำหนดให้ F = แรงที่กระทำให้วัตถุเคลื่อนที่
s = ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ตาม
ทิศทางของแนวแรง
W = งานที่ทำได้
นั่นคือ W = F3s
พลังงาน ( Energy )
พลังงาน คือ ความสามารถในการทำงาน เราใช้พลังงานในการทำกิจกรรมหรือทำงานต่างๆ เช่น เดิน หายใจ
การเจริญเติบโต เพาะปลูก เป็นต้น
พลังงานให้แสงสว่างกับบ้านเรือนหรือที่อยู่อาศัยของเรา พลังงานให้กำลังแก่ยานพาหนะต่างๆ เช่น รถยนต์ รถไฟ จรวด เครื่องบิน เป็นต้น พลังงานทำให้บ้านที่อยู่อาศัย อาคารสำนักงานต่างๆ ของเราเย็นสบาย ทำให้เกิดรูปภาพในโทรทัศน์ มากมาย นอกจากนี้ยังให้กำลังแก่เครื่องจักรในโรงงานอุตสาหกรรมได้ด้วย ดังนั้นถ้าปราศจากพลังงานจะไม่มีสิ่งใด ทำงานได้ สัตว์และพืชก็จะตาย เครื่องจักรและสิ่งต่างๆ ก็จะไม่สามารถทำงานได้ ในสภาพความเป็นจริงหากโลกของเรา ปราศจากพลังงานก็จะไม่มีสิ่งมีชีวิต เพราะทุกๆ ชีวิตต้องการพลังงาน
รถจักรยานยนต์เคลื่อนที่โดยใช้พลังงานเชื้อเพลิง
นักวิทยาศาสตร์ได้จัดรูปแบบของพลังงานให้เป็นหมวดหมู่ เพื่อความเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานที่มีหลายรูปแบบแตกต่างกันไป เช่น พลังงานที่ร่างกายใช้ในการทำงานได้จากพลังงานเคมีในอาหารที่เรารับประทาน พลังงานแสงช่วยให้เรามองเห็นสิ่งต่างๆ รอบตัว พลังงานเสียงที่เราได้ยินใช้ในการสื่อสาร วัตถุเคลื่อนที่ได้โดยใช้พลังงานกล เราใช้พลังงานไฟฟ้ากับเครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น
พลังงานกล (mechanical energy)
เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ พลังงานศักย์และพลังงานจลน์ โดยพลังงานศักย์เป็นพลังงานที่สะสม อยู่ในวัตถุ ส่วนพลังงานจลน์เป็นพลังงานของวัตถุขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ พลังงานศักย์มี 2 ชนิด คือพลังงานศักย์ยืดหยุ่น ซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมในวัตถุที่มี การยืดหยุ่นได้ เช่น พลังงานที่สะสมในสปริง ในแถบยางหรือหนังสติก เป็นต้น พลังงานศักย์อีกชนิดหนึ่งเป็นพลังงานที่สะสมในวัตถุที่อยู่ในตำแหน่งสูงจาก พื้นโลกเรียกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง แต่ในระดับชั้นนี้เราจะกล่าวถึงเฉพาะพลังงานศักย์โน้มถ่วง
พลังงานศักย์โน้มถ่วง
พลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy) หมายถึง พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุที่อยู่สูงจากพื้นโลกขึ้นไป และวัตถุนั้นอยู่ในแนวดิ่ง
ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานศักย์โน้มถ่วง
1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มีมวลมาก แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุนั้นจะมาก ทำให้ค่าของพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากตามไปด้วย
2. ตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุ เป็นระยะความสูงของวัตถุที่อยู่ห่างจากผิวโลก วัตถุที่อยู่ห่างจากผิวโลกมากจะสะสมค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงไว้มาก
ดังนั้นวัตถุที่อยู่สูงจึงมีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่าวัตถุที่อยู่ใน ระดับต่ำกว่า เมื่อวัตถุอยู่ ณ ตำแหน่งสูงสุดจะมีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากที่สุด และเมื่อวัตถุตกถึงผิวโลกจะไม่มีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงหรือมีค่าพลังงาน ศักย์โน้มถ่วงเป็นศูนย์
ถ้าเรากำหนดให้ Ep แทนพลังงานศักย์โน้มถ่วง สามารถเขียนความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุกับมวลและความสูงของวัตถุเป็นสมการได้ดังนี้
m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม)
g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ( = 9.8 เมตร/ วินาทีกำลังสอง2)
h = ความสูงของวัตถุจากพื้น (เมตร)
Ep = พลังงานศักย์โน้มถ่วง (จูล)
พลังงานจลน์
พลังงานจลน์ (kinetic energy) เป็นพลังงานของวัตถุขณะที่วัตถุเคลื่อนที่
ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานจลน์
1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มีค่าของมวลมากจะมีพลังงานจลน์มาก
2. ความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ วัตถุที่เคลื่อนที่ ด้วยความเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มากด้วย
ถ้าเรากำหนดให้ Ek แทนพลังงานจลน์ สามารถเขียนความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์ของวัตถุกับมวลและความเร็วของ วัตถุได้ดังนี้
m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม)
v = ความเร็วของวัตถุ (เมตร/วินาที)
Ek = พลังงานจลน์ของวัตถุ (จูล)