งาน ( Work)

งานเป็นปริมาณที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุเนื่องจากแรงกระทำ ขนาดของงานของแรงใดมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างขนาดของแรงนั้นกับระยะของการเคลื่อนที่ในช่วงพิจารณาซึ่งอยู่ในแนวแรง หรือ W = FS

โดย W มีหน่วยเป็นนิวตัน /เมตร หรือจูล

F มีหน่วยเป็น นิวตัน

S มีหน่วยเป็น เมตร

กำลัง ( Power)

กำลัง คือ อัตราการทำงานหรืองานที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา

กำหนดให้ W คือ งานที่ทำได้ มีหน่วยเป็นจูล (J)

t คือ เวลาที่ใช้ในการทำงาน มีหน่วยเป็นวินาที (s)

P คือ กำลัง

จากนิยามของกำลังเขียนเป็นสมการได้ว่า P = w/t

หน่วยของกำลัง คือ J/s หรือ เรียกว่า Watt (วัตต์) “ W ”

พลังงาน (Energy)

พลังงานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของระบบที่บ่งถึงขีดความสามารถในการทำงานหรือความสามารถในการทำให้เปลี่ยนแปลงในทางใดทางหนึ่ง พลังงานของวัตถุจึงวัดได้จากงานของวัตถุที่ทำได้ พลังงานมีหลายรูปแบบ เช่น พลังงานกล พลังงานเคมี พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานแผ่รังสี พลังงานความร้อน เป็นต้น ในบทนี้จะเป็นการศึกษาพลังงานในรูปแบบที่ง่าย ๆ ก่อนคือพลังงานกล จำแนกเป็น 2 ประเภทคือ พลังงานจลน์ และพลังงานศักย์

พลังงานมีหน่วยวัดเป็น จูล(Joules) “ J ”

พลังงานจลน์ (Kinetic Energy)

พลังงานจลน์ คือพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุอันเนื่องจากอัตราเร็วของวัตถุขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของวัตถุ ใช้สัญลักษณ์ (E_k) หาพลังงานจลน์ได้จาก ปริมาณงานที่ทำได้ทั้งหมด ของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ไปทำงานอย่างหนึ่ง จนกระทั่งวัตถุหยุดนิ่ง จากนิยามเขียนเป็นสมการได้ว่า E_k = 1/2 mv²

หากมีแรง F กระทําต่อวัตถุ จนขนาดของความเร็วของวัตถุเปลี่ยนไป ทําให้พลังงานจลน์ของวัตถุเปลี่ยนไปจากเดิม พบว่างานที่แรงนั้นกระทําต่อวัตถุมีค่าเท่ากับพลังงานจลน์ของวัตถุที่เปลี่ยนไป

หรือ W = E_k2 - E_k1 เรียกคํากล่าวนี้ว่า หลักของงาน-พลังงานจลน์

พลังงานศักย์ (Potential Energy)

พลังงานศักย์ (E_p) คือ พลังงานที่ถูกเก็บสะสมไว้และพร้อมที่จะนำมาใช้ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. พลังงานศักย์โน้มถ่วง(Gravitational Potential Energy) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ เกิดจากแรงโน้มถ่วงและตำแหน่งของวัตถุตามระดับความสูง เมื่อปล่อยวัตถุซึ่งอยู่สูงจากพื้น h เคลื่อนที่ตกลงมา พบว่าเกิดงานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกต่อวัตถุ มีค่าเท่ากับ mgh แสดงว่าวัตถุที่อยู่สูงจากพื้น h มีพลังงาน เพราะว่าสามารถทำงานได้เรียกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง ซึ่งมีค่าเท่ากับ mgh นั่นเอง

เขียนสมการได้ว่า E_p = mgh

2. พลังงานศักย์ยืดหยุ่น(Elastic Potential) คือ พลังงานศักย์ของสปริงขณะที่ยืดออก หรือหดเข้าจากตำแหน่งสมดุล ถูกเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ “ E_p (elastic) ”

หาได้จากสมการ E_p = 1/2 kx²

กฎการอนุรักษ์พลังงาน

พลังงานรูปหนึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่น ๆ ได้ พลังงานที่มาจากการเปลี่ยนรูปนี้จะมีค่าเท่ากับพลังงานเดิม ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน ( law of conservation of energy )

ขณะที่โยนลูกบอลขึ้นจากพื้น พลังงานเคมีในร่างกายบางส่วนจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของลูกบอลจึงทำให้ลูกบอลเคลื่อนที่ได้เมื่อลูกบอลเคลื่อนที่สูงขึ้น ความเร็วจะลดลง นั่นคือพลังงานจลน์ของลูกบอลจะลดลงโดยเปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง ณ ตำแหน่งสูงสุด ของการเคลื่อนที่ พลังงานจลน์ของลูกบอลเป็นศูนย์และพลังงานศักย์โน้มถ่วงมีค่าสูงสุด ขณะที่ลูกบอลเคลื่อนที่ลง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ และเมื่อลูกบอลกระทบพื้นพลังงานจลน์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและเสีย เรียกแรงที่กระทำแล้วพลังงานกลไม่เปลี่ยนนี้ว่า “แรงอนุรักษ์”

กฎการอนุรักษ์พลังงานกล

ถ้าไม่มีแรงภายนอกมากระทำกับวัตถุ (งานรวม=0) แล้วผลรวมของพลังงานที่สะสมภายในวัตถุจะคงที่ เนื่องจาก ผลรวมของพลังงานศักย์ และพลังงานจลน์ของวัตถุ เรียกว่าพลังงานกลของวัตถุซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมภายในวัตถุ จะได้สมการงานและพลังงานดังนี้

∑E = E_k + E_p = คงที่

โดยที่ E_k = 1/2 mv²

และ E_p = mgh + 1/2 kx²