ฟิสิกส์มัธยมปลาย - บทกลศาสตร์ - งาน พลังงาน

ถ้าพูดถึงเรื่องของการเคลื่อนที่เราได้เรียนรู้และเข้าใจกลไกของการเคลื่อนที่ผ่านปริมาณการเคลื่อนที่ (บทที่ 1 การเคลื่อนที่แนวเส้นตรง) ผ่านปริมาณของแรงที่ทำให้การเคลื่อนที่ (บทที่ 2 กฎการเคลื่อนที่นิวตัน) มาในบทนี้เรากำลังจะขยายมุมมองและพิจารณาการเคลื่อนที่ผ่านปริมาณก่อน ในที่นี้ก็จะเป็นงานและพลังงาน ซึ่งเป็นปริมาณที่ต่อยอดและมีประโยชน์ต่อการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ที่หลากหลายได้

งาน และ พลังงาน

หัวข้อ

1. งาน (Work)
2. พลังงาน (Energy)

3. กฎอนุรักษ์พลังงาน และ กฎของงานและพลังงาน

4. กำลัง (Power)

เริ่มต้นจากปริมาณตัวแรกคืองาน ลองดูสรุปได้จากคลิปข้างล่างได้เลยครับ

งานคือผลคูณของแรงกับระยะการกระจัดตามแนวแรง ถ้าอธิบายโดยใช้คณิตศาสตร์ประกอบก็เป็นผลดอทของแรงกับการกระจัด มีหน่วยเป็นจูล สิ่งที่สำคัญคือเวลาเราคิดหางานใดๆ เราต้องระบุอย่างชัดเจนว่าเรากำลังหางานของแรงอะไร ซึ่งก็มีพื้นฐานจากความเข้าใจเรื่องของการเขียนแผนภาพของแรง Free body diagram เพราะบางครั้งก็อาจจะถามหางานของระบบ ซึ่งก็หมายถึงเราก็ต้องทราบผลรวมของแรง ก็หนีพ้นการเข้าใจแผนภาพของแรงอยู่ดีครับ

พลังงานหลักๆก็จะแบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ลองศึกษาคลิปสรุปพลังงานที่พบเจอในบทนี้ข้างล่างนี้เลยครับ

พลังงานจลน์ มีอยู่ในวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่โดยพลังงานจลน์แปรผันตามความเร็วยกกำลังสอง

พลังงานศักย์ มีอยู่ 2 ส่วนคือพลังงานศักย์โน้มถ่วง และพลังงานศักย์ยืดหยุ่น

พลังงานศักย์โน้มถ่วง ถ้าดูในรายละเอียดแล้วนั้น มันคืองานของแรงโน้มถ่วงนี่แหละ แต่ส่วนเพิ่มเติมคือปริมาณระยะทาง ซึ่งเราจำเป็นจะต้องกำหนดจุดอ้างอิง ซึ่งโดยมากเวลาอยู่ในโจทย์ก็จะกำหนดอยู่ที่พื้น แต่ในความจริงแล้ว จุดอ้างอิงจะอยู่ที่ไหนก็ได้เลย

พลังงานศักย์ยืดหยุ่น หรือบ้างอาจจะเรียกพลังงานศักย์สปริง วัสดุที่จะมีส่วนสำคัญในการศึกษาการยืดหยุ่นคือสปริงนั้นเอง  เนื้อหารายละเอียดสามารถดูได้จากคลิปข้างล่างเลยครับ

โดยสรุปอุปกรณ์ชนิดนี้อาจจะสร้างปัญหาเพิ่มเติมในบทกลศาสตร์โดยมี concept ที่ว่าแรงที่กระทำจะไม่คงที่ แปรเปลี่ยนไปตามระยะยืดหด ซึ่งจะมีความแตกต่างกับแรงภายนอกในบทอื่นๆ ที่ให้แรงกระทำคงที่ ข้อสังเกตคือเราจะไม่เจอสปริงในกฎการเคลื่อนที่นิวตันในเบื้องต้น (แต่ไม่ได้หมายความว่ามันจะประยุกต์ไม่ได้นะ) 

หลังจากที่เราพิจารณาวัตถุเคลื่อนที่ในรูปแบบของงานพลังงาน กฎอนุรักษ์พลังงานจะใช้ concept ที่ว่า การเคลื่อนที่ของวัตถุหรือระบบหนึ่งจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง พลังงานของวัตถุนั้นจะต้องคงที่ อีกข้อหนึ่งที่ต่อยอดไปคือกฎของงานและพลังงาน ซึ่งจริงๆแล้วมันก็คือกฎอนุรักษ์พลังงานนั่นแหละ แต่หากมีงานจากแรงภายนอก เช่น แรงเสียดทาน แรงข้างนอกมากระทำ (ในทีนี้คือไม่ใช่แรงโน้มถ่วง และ แรงจากสปริง เพราะมันถูกพิจารณาเป็นพลังงานศักย์ไปแล้ว) พลังงานจะเปลี่ยนรูปไปเป็นงานแค่นั้นเอง จะมีวิธีการใช้งานอย่างไรลองดูได้ในคลิปข้างล่างเลย

ส่วนสุดท้ายที่แปะทิ้งท้ายไว้คือเรื่องของ กำลัง ซึ่งกำลังจะมีความสัมพันธ์คือหาอัตราการเปลี่ยนแปลงของพลังงานนั่นเอง ถ้าว่าให้ง่ายคือเอางานหรือพลังงานมาหารต่อเวลา หน่วยจะเป็นวัตต์นั่นเอง ลองดูคลิปสรุปข้างล่างนี้อีกทีนะครับ

บทวิเคราะห์ข้อสอบในบทนี้

ไม่เชื่อก็ต้องเชื่อว่าเนื้อหาส่วนนี้มีออกทุกครั้งแน่นอน โดยอาจจะไปรวมกับการเคลื่อนที่ในบทถัดๆไปเช่น โมเมนตัมและการเคลื่อนที่แบบต่างๆ เช่น โปรเจคไทล์ หรือ วงกลม ซึ่งมันจะออกผสมกับเรื่องอื่นเสมอ แต่ไม่ต้องห่วงเพราะเวลาเราไปเรียนเรื่องต่อไป ยังไงเราก็ต้องใช้หัวข้อนี้ไปช่วยในการแก้โจทย์อยู่ดี อีกทั้งหัวข้อนี้ก็อาจจะไปใช้ในบทอื่นๆอีกในอนาคตเช่น งานในการเลื่อนประจุ ในบทไฟฟ้าสถิต ดังนั้นเรื่องนี้ก็สำคัญต่อการเอาไปใช้มากๆ ควรจะเข้าใจและใช้งานมันได้อย่างคล่องแคล่ว เพราะเมื่อถึงเวลาต้องใช้จะได้ไม่เคอะเขิน

มีคำถามหรือข้อเสนอแนะใดๆ ติดต่อได้ที่ Physicfree4TH@gmail.com ครับ ดาวน์โหลดเอกสารการเรียนได้ ที่นี่ เยี่ยมชม Channel youtube: Physicfree4TH