งานและพลังงาน ฟิสิกส์

                                                                  งาน กำลัง และ พลังงาน

          งานคือผลของแรงที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ เป็นปริมาณ สเกล่าร์ ที่มีหน่วยเป็นจูลหรือนิวตัน

***** ตรงนี้สำคัญนะค่ะ ถ้ามสีแรงมากระทำต่อวัตถุ แล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่จะไม่เกิดงานเนื่องจากแรงนั้น แต่ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ย่อมเกิดงานเสมอค่ะ

หลักการการพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ทั้งหมดน่าจะเป็นเรื่องพลังงาน การทำงานร่วมกันของสสารและพลังงานสร้างจักรวาลขึ้นมา สสารคือสิ่งที่มีมวลสาร สามารถมองเห็นได้สำผัสได้ รู้สึกได้ ดมกลิ่นได้ แต่พลังงานเรามองไม่เห็นดมกลิ่นไม่ได้ สำผัสไม่ได้ เราจะสังเกตพลังงานได้ก็ต่อเมื่อ

มันทำงานอย่างเช่น เราไม่สามารถมองเห็นความร้อนได้แต่เราวัดมันได้จากการที่มันทำให้อุณหภูมิของวัตถุเพิ่มขึ้นเป็นต้น เราจะศึกษานิยามของพลังงานโดยศึกษาจากเรื่องงาน

งาน

งานขึ้นอยู่กับแรงและระยะทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ เมื่อเราออกแรงมาก และ วัตถุเคลื่อนที่ไปไกลยิ่งทำให้เกิดงานสูงมาก

เมื่อ W คือ งาน  F คือแรง  s คือ ระยะทางในแนวแรง  มุมระหว่างแรงและระยะทาง

นักยกน้ำหนักที่ถือตุ้มน้ำหนักไว้นิ่งๆ เป็นเวลานานๆไม่ได้ทำให้เกิดงาน เนื่องจากตุ้มน้ำหนักไม่ได้เคลื่อนที่แม้ว่าเขาจะรู้สึกเหนื่อยมากแต่ก็ไม่ได้ถือว่าทำงานในทางฟิสิกส์ แต่เมื่อเขาวางตุ้มน้ำหนักลงพื้นเขาได้ทำงานเนื่องจาก ตุ้มน้ำหนักมีการเคลื่อนที่

ตัวอย่างของงานเช่น งานเนื่องจากเชื้อเพลิงทำให้รถวิ่ง งานเนื่องจากการต้านแรงโน้มถ่วงเมื่อเรากระโดด งานเนื่องจากการยืดเชือกธนูเป็นต้น

กำลัง

งานพิจารณาแต่เรื่องของระยะทาง และ แรงที่กระทำกับวัตถุ การที่เราวิ่งขึ้นบ้านหรือเดินขึ้นบานเราทำงานเท่ากันแต่ทำไมเราตอนเราวิ่งขึ้นบ้านเหนื่อยกว่าเดินขึ้นบาน เรื่องนี้อธิบายได้ด้วยเรื่องกำลัง กำลังคืองานที่ทำในช่วงเวลาหนึ่ง

กำลัง=งาน

เวลา

เครื่องยนต์ที่มีกำลังมากต้องทำงานได้มากกว่าเครื่องยนต์อื่นโดยใช้เวลาเท่ากัน หน่วยของกำลังคือ จูลต่อวินาที() หรือวัตต์ (W) และหน่วยที่เป็นหน่วยโบราณคือกำลังม้าหมายถึงกำลังที่เท่ากับกำลังม้า 1 ตัว ซึ่ง 1 กำลังม้าเท่ากับ 

พลังงานกล (Mechanical Energy)

เมื่อพลธนูง้างศรมีงานถูกสร้างขึ้นมา และเมื่อธนูคืนรูปจะทำงานต่อลูกธนูทำให้ลูกธนูเคลื่อนที่ เมื่อมีงานกระทำเพื่อยกปั้นจั่นตอกเสาเข็มขึ้นสูง แล้วพอปั้นจั่นกระทุ้งลงมาก็ทำให้เกิดงานกับเสา สิ่งที่ทำให้เกิดงานคือพลังงาน เช่นเดียวกับงานพลังงานมีหน่วยเป็นจูล พลังงานมีอยู่หลายรูปแบบซึ่งจะค่อยๆอธิบายในตอนต่อๆไป แต่ตอนนี้จะอธิบายรูปแบบหลักๆของพลังงานคือพลังงานศักดิ์และพลังงานจลน์

พลังงานศักดิ์ (Potential Energy)

พลังงานศักดิ์มีอยู่ในธนู

วัตถุอาจเก็บพลังงานไว้ในปริมาณต่างๆกันขึ้นกับตำแหน่งของมัน ซึ่งเรียกว่าพลังงานศักดิ์ (E_p) ตัวอย่างเช่น การยืดหดสปริง พลังงานศักดิ์สะสมไว้ในสปริงทำให้การยืดหดของสปริงสามารถทำให้เกิดงานได้ เมื่อคันธนูถูกง้างพลังงานศักดิ์ที่สะสมอยู่ในคันธนูทำให้เกิดงานต่อลูกศรที่พุ่งออกจากธนู

พลังงานเคมีในเชื้อเพลิงก็เป็นพลังงานศักดิ์ เป็นพลังงานศักดิ์เนื่องจากเปลี่ยนตำแหน่งระดับอะตอม เป็นการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอม พลังงานศักดิ์ที่เราได้จากเชื้อเพลิง แบตเตอรี่ และอาหารทำให้เราสามารถยกวัตถุและตัวเราเองต้านกับแรงโน้มถ่วงของโลกได้

พลังงานศักดิ์ที่ขึ้นอยู่กับตำแห่งของวัตถุเรียกว่า พลังงานศักดิ์โน้มถ่วง น้ำบนเขื่อนมีพลังงานศักดิ์เท่ากับงานที่ใช้ในการยกน้ำต้านแรงโน้มถ่วงของโaลกไปยังบนเขื่อน งานที่ว่านี้มีค่าเท่ากับผลคูณของแรงกับระยะทางในการเคลื่อนที่ (W = Fs)

ถ้าแรงที่ยกน้ำเท่ากับน้ำหนักของวัตถุ( mg) ดังนั้นงานที่ทำในการยกวัตถุขึ้นสูง h ก็คือ mgh

พลังงานศักดิ์ = น้ำหนัก x สูง

จำไว้ว่าความสูงคือระยะทางระหว่างตำแหน่งของวัตถุถึงระดับอ้างอิง เช่น พื้นสนาม พื้นห้อง เป็นต้น พลังงานศักดิ์ขึ้นอยู่เฉพาะกับค่าของ mg และ h เท่านั้นไม่ขึ้นอยู่กับวิธีการของการยกวัตถุ

เมื่อปั้นจั่นตกลงมาจากที่สูงมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักดิ์ไปเป็นพลังงานจลน์(พลังงานของการเคลื่อนที่) ทำให้พลังงานศักดิ์ของปั้นจั่นที่พื้นมีพลังงานศักดิ์น้อยกวาพลังงานศักดิ์ของปั้นจั่นที่อยู่สูง

a.

b.

 a. พลังงานจลน์ของการผลักก้อนหินเปลี่ยนเป็นพลังงานศักดิ์ พลังงานศักดิ์มีค่าเท่ากันที่ระดับเดียวกันไม่ว่าจะยกหรือไถลหินขึ้นมา b. เมื่อก้อนหินตกลงมาจากที่สูง จะเปลี่ยนพลังงานศักดิ์เป็นกลังงานจลน์

พลังงานจลน์ (Kinetic Energy)

ถ้าเราผลักวัตถุจะเห็นว่าวัตถุเคลื่อนที่ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่มันก็สามารถทำงานได้ วัตถุมีพลังงานของการเคลื่อนที่เราเรียกว่าพลังงานจลน์ (E_k) พลังงานจลน์ของวัตถุขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุและอัตราเร็วของวัตถุ พลังงานจลมีค่าเท่ากับผลคูณของมวลและอัตราเร็วกำลังสองทั้งหมดหารด้วย 2

เมื่อเราปาก้อนหินเราทำงานให้กับก้อนหินมีอัตราเร็วเริ่มต้นเมื่อหลุดออกจากมือของเรา ก้อนหินสามารถเคลื่อนที่ไปชนวัตถุอื่นแล้วผลักวัตถุนั้น ทำให้เกิดงานจากการชน พลังงานจลน์เกิดขึ้นจากการที่เราให้งานเพื่อที่จะเปลี่ยนแปลงวัตถุที่อยู่นิ่งไปเป็นวัตถุที่เคลื่อนที่ หรืองานที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่กลับมาอยู่นิ่ง

แรง x 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

การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา

ภาพจากกล้องอินฟาเรด สีเหลืองและส้มคือส่วนที่อุณหภูมิสูง

เมื่อเบรกพลังงานจากการเบรกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน

พลังงานของระบบต้องลดลงตามธรรมชาติเพราะพลังงานส่วนหนึ่งเสียไปกับสิ่งแวดล้อม  

ในรูปของความร้อน (พื้นร้อนขึ้นเมื่อรถวิ่งผ่าน)  และพลังเสียงเป็นต้น

อนุรักษ์พลังงาน (Conservation of Energy)

สิ่งที่สำคัญกว่าการที่รู้ชนิดของพลังงานคือการรู้ว่าพลังงานมันเปลี่ยนรูปไปอย่างไรบ้าง เราสามารถเข้าใจกระบวนการเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติ ถ้าเราอธิบายในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากรูปหนึ่งไปอีกรูปหนึ่ง

พิจารณาการเปลี่ยนแปลงพลังงานของนักกระโดดลงถัง งานที่ทำให้นักกระโดดขึ้นไปยังที่สูงทำให้เกิดพลังงานศักดิ์มากเมื่อนักกระโดดอยู่บนที่สูง และเมื่อกระโดดลงมาการเคลื่อนที่ตกลงมาทำให้เกิดพลังงานกลที่เกือบเท่ากับพลังงานศักดิ์เริ่มต้นก่อนกระโดด

เราบอกว่าเกือบเท่าเนื่องจากพลังงานเล็กน้อยบางส่วนถูกเปลี่ยนแปลงระหว่างการเคลื่อนที่ในรูปแบบความร้อนของการเสียดสีกันระหว่างนักกระโดดกับอากาศ และความร้อนจากการปะทะของนักกระโดดกับถัง แต่ถ้าเรารวมพลังงานความร้อนเข้าด้วยจะได้ว่าจะไม่มีพลังงานใดสูญหายไปเลย น่าทึ่งทีเดียว!

การศึกษาการเปลี่ยนรูปของพลังงานทำให้เราเข้าใจกฎพื้นฐานที่สำคัญที่สุดของวิทยาศาสตร์นั่นคือกฎอนุรักษ์พลังงาน

พลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ ไม่สามารถทำลายได้ มีแต่เพียงเปลี่ยนรูปไปเป็นรูปอื่น แต่พลังงานรวมแล้วยังเท่าเดิม เมื่อเราพิจารณาระบบง่ายๆเช่นการแกว่งลูกตุ้มจนถึงระบบที่ซับซ้อนอย่างการระเบิดของดวงดาว ก็จะเป็นเช่นเดียวกันคือไม่มีพลังงานใดถูกสร้างขึ้นใหม่หรือถูกทำลายไป พลังงานเปลี่ยนรูปและถ่ายทอดจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งได้แต่พลังงานรวมยังมีปริมาณเท่าเดิม

อะตอมเป็นแหล่งพลังงานมหาศาลรวมกันอยู่ที่นิวเคลียสของอะตอม เมื่อมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปแบบพลังงานนิวเคลียร์ แสงอาทิตย์เป็นส่วนหนึ่งของพลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์แล้วเปลี่ยนรูปเป็นรังสี

ความร้อนและแรงโน้มถ่วงมหาศาลที่แกนกลางดวงอาทิตย์ รวมให้อะตอมของไฮโดรเจนรวมกันเองได้ฮีเลียมเรียกว่า นิวเคลียร์ฟิวชันความร้อนสูง (Thermonuclear Fusion) กระบวนการดังกล่าวปลดปล่อยรังสีออกมารังสีและแสงสว่าง ซึ่งบางส่วนมายังโลก ทำให้ต้นไม้เติมโต คนและสัตว์ใช้เป็นอาหาร บ้างก็เอาถ่านไปใช้ หรือถ้าพืชทับถมกันนานๆก็ยังกลายเป็นน้ำมัน

แสงและความร้อนบางส่วนไปตกที่แหล่งน้ำทำให้ไอน้ำละเหยกลายเป็นก้อนเมฆ พอฝนตกน้ำบางส่วนก็ไปอยู่เหนือเขื่อน เมื่อมีนำเหนือเขื่อนก็ให้น้ำไหลมาปั่นไดนาโมเพื่อผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าไว้จ่ายไปยังบ้านเรือนคนเราก็ได้ใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่ออำนวยความสะดวกแก่ตนเองในด้านต่างๆ ซึ่งถ้ามองกันให้ดีๆแล้วพลังงานไฟฟ้าที่เราได้มาก็เปลี่ยนรูปมาจากพลังงานจากแสงอาทิตย์นั่นเอง การเปลี่ยนรูปพลังงานนี้ช่างสวยงามเหลือเกิน

ขอขอบคุณ ข้อมูลและรูปภาพบางส่วน จาก google ค่ะ