|
เมื่อพลธนูง้างศรมีงานถูกสร้างขึ้นมา และเมื่อธนูคืนรูปจะทำงานต่อลูกธนูทำให้ลูกธนูเคลื่อนที่ เมื่อมีงานกระทำเพื่อยกปั้นจั่นตอกเสาเข็มขึ้นสูง แล้วพอปั้นจั่นกระทุ้งลงมาก็ทำให้เกิดงานกับเสา สิ่งที่ทำให้เกิดงานคือพลังงาน เช่นเดียวกับงานพลังงานมีหน่วยเป็นจูล พลังงานมีอยู่หลายรูปแบบซึ่งจะค่อยๆอธิบายในตอนต่อๆไป แต่ตอนนี้จะอธิบายรูปแบบหลักๆของพลังงานคือพลังงานศักดิ์และพลังงานกล
พลังงานศักดิ์ (Potential Energy)
รูปที่ 1 พลังงานศักดิ์มีอยู่ในสายธนู
วัตถุอาจเก็บพลังงานไว้ในปริมาณต่างๆกันขึ้นกับตำแหน่งของมัน ซึ่งเรียกว่าพลังงานศักดิ์ (Ep) ตัวอย่างเช่น การยืดหดสปริง พลังงานศักดิ์สะสมไว้ในสปริงทำให้การยืดหดของสปริงสามารถทำให้เกิดงานได้ เมื่อคันธนูถูกง้างพลังงานศักดิ์ที่สะสมอยู่ในคันธนูทำให้เกิดงานต่อลูกศรที่พุ่งออกจากธนู
พลังงานเคมีในเชื้อเพลิงก็เป็นพลังงานศักดิ์ เป็นพลังงานศักดิ์เนื่องจากเปลี่ยนตำแหน่งระดับอะตอม เป็นการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอม พลังงานศักดิ์ที่เราได้จากเชื้อเพลิง แบตเตอรี่ และอาหารทำให้เราสามารถยกวัตถุและตัวเราเองต้านกับแรงโน้มถ่วงของโลกได้
พลังงานศักดิ์ที่ขึ้นอยู่กับตำแห่งของวัตถุเรียกว่า พลังงานศักดิ์โน้มถ่วง น้ำบนเขื่อนมีพลังงานศักดิ์เท่ากับงานที่ใช้ในการยกน้ำต้านแรงโน้มถ่วงของโลกไปยังบนเขื่อน งานที่ว่านี้มีค่าเท่ากับผลคูณของแรงกับระยะทางในการเคลื่อนที่ (W = Fs)
ถ้าแรงที่ยกน้ำเท่ากับน้ำหนักของวัตถุ( mg) ดังนั้นงานที่ทำในการยกวัตถุขึ้นสูง h ก็คือ mgh
พลังงานศักดิ์ = น้ำหนัก × สูง
จำไว้ว่าความสูงคือระยะทางระหว่างตำแหน่งของวัตถุถึงระดับอ้างอิง เช่น พื้นสนาม พื้นห้อง เป็นต้น พลังงานศักดิ์ขึ้นอยู่เฉพาะกับค่าของ mg และ h เท่านั้นไม่ขึ้นอยู่กับวิธีการของการยกวัตถุ
เมื่อปั้นจั่นตกลงมาจากที่สูงมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักดิ์ไปเป็นพลังงานจลน์(พลังงานของการเคลื่อนที่) ทำให้พลังงานศักดิ์ของปั้นจั่นที่พื้นมีพลังงานศักดิ์น้อยกวาพลังงานศักดิ์ของปั้นจั่นที่อยู่สูง
รูปที่ 2 a. พลังงานจลน์ของการผลักก้อนหินเปลี่ยนเป็นพลังงานศักดิ์ พลังงานศักดิ์มีค่าเท่ากันที่ระดับเดียวกันไม่ว่าจะยกหรือไถลหินขึ้นมา b. เมื่อก้อนหินตกลงมาจากที่สูง จะเปลี่ยนพลังงานศักดิ์เป็นกลังงานจลน์
พลังงานจลน์ (Kinetic Energy)
ถ้าเราผลักวัตถุจะเห็นว่าวัตถุเคลื่อนที่ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่มันก็สามารถทำงานได้ วัตถุมีพลังงานของการเคลื่อนที่เราเรียกว่าพลังงานจลน์ (Ek) พลังงานจลน์ของวัตถุขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุและอัตราเร็วของวัตถุ พลังงานจลมีค่าเท่ากับผลคูณของมวลและอัตราเร็วกำลังสองทั้งหมดหารด้วย 2
พลังงานจลน์ = (1/2) × มวล × อัตราเร็ว2
เมื่อเราปาก้อนหินเราทำงานให้กับก้อนหินมีอัตราเร็วเริ่มต้นเมื่อหลุดออกจากมือของเรา ก้อนหินสามารถเคลื่อนที่ไปชนวัตถุอื่นแล้วผลักวัตถุนั้น ทำให้เกิดงานจากการชน พลังงานจลน์เกิดขึ้นจากการที่เราให้งานเพื่อที่จะเปลี่ยนแปลงวัตถุที่อยู่นิ่งไปเป็นวัตถุที่เคลื่อนที่ หรืองานที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่กลับมาอยู่นิ่ง
แรง × ระยะทาง = พลังงานจลน์
หมายความว่าเมื่อมีงานเกิดขึ้นพลังงานย่อมเปลี่ยนแปลง
ทฤษฏีงานพลังงาน (Work-Energy Theorem)
เมื่อเร่งอัตราเร็วของรถทำให้พลังงานจลน์ของรถเพิ่มขึ้นเนื่องมาจากงานที่กระทำต่อรถ เมื่อรถแล่นช้าหมายความว่าต้องมีงานมาลดพลังงานจลน์เราเรียกว่า
งาน = ผลต่างของพลังงานจลน์
งานเท่ากับความเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ สมการข้างต้นคือทฤษฏีงานพลังงานนั่นเอง งานในสมการนี้คืองานสุทธิซึ่งหมายความว่าเป็นงานที่เกิดจากแรงสุทธิ เช่นถ้าเราผลักวัตถุเราต้องเอาแรงผลักของเราลบด้วยแรงเสียดทานได้แรงสุทธิแล้วจึงคิดงานจะได้งานสุทธิ ในกรณีที่แรงเสียดทานเท่ากับแรงผลักพอดีจะได้ว่าไม่มีแรงสุทธิ ทำให้ไม่มีงานสุทธิ และไม่มีพลังงานจลน์นั่นเอง
ทฤษฏีงานพลังงานใช้กับกรณีรถลดความเร็วอย่างเช่นเวลารถเบรก พื้นถนนต้องออกแรงเสียดทานกับรถทำให้เกิดงานที่ถนนทำกับรถ งานที่ว่านี้เป็นผลคูณระหว่างแรงเสียดทานและระยะเบรก
น่าแปลกใจว่าแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเท่ากันไม่ว่าจะเบรกช้าๆหรือเบรกเร็วๆ เมื่อรถเบรกเปลี่ยนแรงเสียดทานไปเป็นความร้อน นักขับชั้นเซียนสามารถตบเกียร์ต่ำเพื่อเบรกได้ แต่ระบบเบรกของรถสมัยใหม่ที่เรียกว่ารถไฮบริดก็สามารถตบเกียร์ต่ำอัตโนมัติเพื่อเบรก จากนั้นเปลี่ยนพลังงานของการเบรกไปเป็นพลังงานไฟฟ้าสะสมไว้ในแบตเตอรี่ เพื่อเพิ่มพลังงานให้กับรถควบคู่กับการใช้พลังงานจากน้ำมัน
รูปที่ 3 การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา
รูปที่ 4 ภาพจากกล้องอินฟาเรด สีเหลืองและส้มคือส่วนที่อุณหภูมิสูง เมื่อเบรกพลังงานจากการเบรกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน
ขอขอบคุณภาพประกอบจาก
Paul Hewitt,Conceptual Physics
|
Home
