งาน (ฟิสิกส์)

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

งาน หรือ งานเชิงกล ในทางฟิสิกส์ คือปริมาณของพลังงานซึ่งถูกส่งมาจากแรงที่กระทำต่อวัตถุให้เคลื่อนที่ไปได้ระยะทางขนาดหนึ่ง งานเป็นปริมาณสเกลาร์เช่นเดียวกับพลังงาน มีหน่วยเอสไอเป็นจูล คำศัพท์ งาน (work) ที่ใช้อธิบายพลังงานเช่นนี้บัญญัติโดย Gaspard-Gustave Coriolis นักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส [1][2]

ทฤษฎีบทงาน-พลังงาน กล่าวว่า ถ้ามีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุคงรูป ซึ่งทำให้พลังงานจลน์ของวัตถุเปลี่ยนจาก Ek1 เป็น Ek2 ดังนั้นงานเชิงกล W หาได้จากสูตรดังนี้ [3]

W = \Delta E_k = E_{k2} - E_{k1} = \tfrac12 m (v_2^2 - v_1^2) \,\!

เมื่อ m คือมวลของวัตถุ และ v คือความเร็วของวัตถุ

ถ้าแรง F ที่กระทำต่อวัตถุ ส่งผลให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปเป็นระยะทาง d และทิศทางของแรงขนานกับการกระจัด งานที่เกิดขึ้นต่อวัตถุนั้นก็สามารถคำนวณได้จากขนาดของแรง F คูณด้วย d [4]

W = F \cdot d

ตามเงื่อนไขดังกล่าว หากแรงและการกระจัดมีทิศทางเดียวกัน งานที่ได้จะเป็นบวก หากแรงและการกระจัดมีทิศทางตรงข้ามกัน งานที่ได้จะเป็นลบ

อย่างไรก็ตาม ถ้าแรงและการกระจัดตั้งฉากซึ่งกันและกัน งานที่ได้จะเป็นศูนย์[4]

หน่วย[แก้]

หน่วยเอสไอของงานคือจูล (J) ซึ่งนิยามโดยแรงขนาดหนึ่งนิวตันที่กระทำต่อวัตถุ แล้ววัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปได้ระยะทางหนึ่งเมตร การนิยามนี้มีที่มาจากงานเขียนของ Sadi Carnot ตีพิมพ์เมื่อ ค.ศ. 1824 ว่า "น้ำหนักที่ยกขึ้นจนได้ความสูงขนาดหนึ่ง" อันมีพื้นฐานจากข้อเท็จจริงที่ว่า เครื่องจักรไอน้ำสมัยก่อนเป็นสิ่งสำคัญสำหรับยกถังน้ำ เพื่อถ่ายเทน้ำออกจากเหมืองที่น้ำท่วม โดยได้งานตามความสูงที่ขนานกับความโน้มถ่วง หน่วยนิวตันเมตร (N·m) ซึ่งเทียบเท่ากันในเชิงมิติก็ถูกใช้ในบางครั้ง แต่หน่วยนี้ก็ถูกสงวนไว้ใช้กับแรงบิด (torque) ด้วยเช่นกันเพื่อแยกแยะหน่วยของงานกับพลังงาน

หน่วยอื่นที่ไม่ใช่หน่วยเอสไอเช่น เอิร์ก (erg), ฟุตปอนด์, ฟุตปอนดัล, ลิตรบรรยากาศ (liter-atmosphere) เป็นต้น

การนำความร้อนไม่ถือว่าเป็นรูปแบบของงาน เพราะพลังงานความร้อนถูกส่งผ่านเป็นการสั่นของอะตอมของวัตถุ มากกว่าเป็นการเคลื่อนที่ในระดับที่สังเกตได้

งานที่เป็นศูนย์[แก้]

พิตเชอร์ขว้างลูกเบสบอล ทำให้เกิดงานที่เป็นบวกโดยการส่งพลังงานแก่ลูกเบสบอล

งานสามารถเป็นศูนย์ได้แม้ว่ามีแรงมากระทำ ตัวอย่างเช่น แรงสู่ศูนย์กลางในการเคลื่อนที่แบบวงกลม งานเป็นศูนย์เนื่องจากพลังงานจลน์ของวัตถุที่เคลื่อนที่ไม่เปลี่ยนแปลง เพราะแรงตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ และด้วยเหตุผลว่าแรงที่ขนานกับเวกเตอร์ความเร็วเท่านั้นที่ทำให้เกิดงาน หรืออีกตัวอย่างหนึ่ง หนังสือเล่มหนึ่งวางอยู่บนโต๊ะ โต๊ะก็ไม่ได้ทำให้หนังสือเกิดงาน ทั้ง ๆ ที่โต๊ะก็ออกแรงเท่ากับ mg ในทิศทางชี้ขึ้น เพราะไม่มีพลังงานส่งเข้าไปหรือออกจากหนังสือ

การคำนวณ[แก้]

แรงและการกระจัด[แก้]

ทั้งแรงและการกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งใช้ผลคูณจุดเพื่อคำนวณค่างานเชิงกลอันเป็นปริมาณสเกลาร์ ดังนี้

W = \bold{F} \cdot \bold{d} = F d \cos\phi

เมื่อ ϕ คือมุมระหว่างเวกเตอร์แรงและการกระจัด

แรงและมุมต้องเป็นค่าคงตัวจึงจะทำให้สูตรนี้ใช้งานได้ เส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุต้องเป็นเส้นตรงเส้นเดียว แม้ว่าวัตถุนั้นอาจเปลี่ยนทิศทางขณะเคลื่อนที่ไปบนเส้นตรงนั้น

ในสถานการณ์ที่แรงเปลี่ยนแปรตามเวลา หรือเส้นทางการเคลื่อนที่เบนออกจากเส้นตรง สูตรด้านบนจะใช้ไม่ได้กับสถานการณ์ทั่วไป แม้ว่าเราสามารถแบ่งการเคลื่อนที่ออกเป็นเส้นทางย่อย ๆ แต่การทำเช่นนั้นเราต้องประมาณแรงและการเคลื่อนที่ให้เป็นค่าคงตัวให้ดีในแต่ละส่วน จากนั้นจึงคำนวณผลรวมทุกส่วนออกมาเป็นงาน

นิยามทั่วไปของงานเชิงกลในรูปแบบปริพันธ์ตามเส้นว่าไว้ดังนี้

W_C = \int_{C} \bold{F} \cdot \mathrm{d}\bold{s}

เมื่อ C คือเส้นทางหรือเส้นโค้งที่วัตถุเคลื่อนที่ F คือเวกเตอร์แรง และ s คือเวกเตอร์ตำแหน่ง

นิพจน์ \delta W = \bold{F} \cdot \mathrm{d}\bold{s} เป็นอนุพันธ์ไม่ตายตัว (inexact differential) ซึ่งหมายความว่าการคำนวณ WC ขึ้นอยู่กับเส้นทางการเคลื่อนที่ และไม่สามารถหาอนุพันธ์เพื่อให้ได้ค่าของ F · ds

สูตรที่สองด้านบนเป็นการอธิบายว่าแรงที่ไม่เป็นศูนย์สามารถทำให้เกิดงานที่เป็นศูนย์ได้อย่างไร กรณีที่ง่ายที่สุดคือเมื่อแรงตั้งฉากกับทิศทางของการเคลื่อนที่ ซึ่งเกิดขึ้นในการเคลื่อนที่แบบวงกลม จะทำให้ปริพัทธ์ (integrand) ในสูตรเป็นศูนย์ตลอดเวลา อย่างไรก็ตาม แม้ว่าปริพัทธ์ไม่เป็นศูนย์ แต่ผลลัพธ์ของปริพันธ์ก็อาจเป็นศูนย์ได้เช่นกัน เพราะมันสามารถมีค่าได้ทั้งบวกและลบ

ความเป็นไปได้ของแรงที่ไม่เป็นศูนย์อันทำให้เกิดงานที่เป็นศูนย์ คือผลต่างระหว่างงานที่ได้กระทำกับปริมาณอื่นที่เกี่ยวข้อง เช่น การดล (impulse) เป็นปริพันธ์ของแรงที่แปรไปตามเวลา การดลเป็นตัวชี้วัดการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุ อันเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่ส่งผลต่อทิศทาง ในขณะที่งานจะพิจารณาเพียงขนาดของความเร็ว ตัวอย่างเช่น วัตถุชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่แบบวงกลม เคลื่อนที่ผ่านจุดครึ่งรอบ แรงสู่ศูนย์กลางที่จุดนั้นยังคงให้งานเป็นศูนย์ แต่การดลของมันไม่เป็นศูนย์

แรงบิดและการหมุน[แก้]

่ ดั ฎธอฟพคำนวณได้ดังนี้

W= \tau \theta\;

พลังงานกล[แก้]

พลังงานกลของวัตถุ คือส่วนหนึ่งของพลังงานรวมซึ่งเปลี่ยนแปลงไปอันเนื่องมาจากงานเชิงกล พลังงานกลแบ่งเป็นพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ รูปแบบของพลังงานบางชนิดที่เป็นที่รู้จักแต่ไม่ถือว่าทำให้เกิดงานเช่น พลังงานความร้อน (สามารถเพิ่มขึ้นโดยงานจากแรงเสียดทาน แต่ไม่สามารถลดลงได้โดยง่าย) และพลังงานนิ่ง (เป็นค่าคงตัวตราบเท่าที่มวลยังคงสภาพอยู่เหมือนเดิม)

ถ้าแรงภายนอก F กระทำต่อวัตถุคงรูปชนิดหนึ่ง ซึ่งทำให้พลังงานจลน์ของวัตถุเปลี่ยนจาก Ek1 ไปเป็น Ek2 แล้ว [5]

\textstyle W = \Delta E_k = E_{k_2} - E_{k_1} = \frac{1}{2}  mv_2 ^2 - \frac{1}{2}  mv_1 ^2 = \frac{1}{2} m \Delta (v^2)

ผลลัพธ์เช่นนี้จึงสรุปได้ว่า งานที่เกิดจากแรงภายนอกกระทำต่อวัตถุแปรผันตรงกับผลต่างของกำลังสองของความเร็ว โปรดสังเกตว่าพจน์สุดท้ายของสมการคือ ∆ (v ²) มิใช่ (∆ v ) ²

หลักการของกฎการอนุรักษ์พลังงานกล่าวว่า ถ้าระบบหนึ่งถูกกำหนดโดยแรงอนุรักษ์ (เช่นแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว) และ/หรือ ผลรวมของงานจากแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ พลังงานกลรวมจะยังมีค่าคงตัวตลอดกระบวนการ

ตัวอย่างเช่น ถ้าวัตถุหนึ่งที่มีมวลคงที่ตกอย่างอิสระ พลังงานรวมที่ตำแหน่ง 1 จะเท่ากับพลังงานรวมที่ตำแหน่ง 2

(E_k + E_p)_1 = (E_k + E_p)_2\!

เมื่อ Ek คือพลังงานจลน์ และ Ep คือพลังงานศักย์

งานภายนอกระบบอาจเกิดขึ้นได้โดยแรงเสียดทานระหว่างระบบกับการเคลื่อนที่ หรือแรงไม่อนุรักษ์ภายในระบบ หรือพลังงานกลที่สูญหายไปกับความร้อน

กรอบอ้างอิง[แก้]

งานที่ได้จากแรงที่กระทำต่อวัตถุขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงความเฉื่อย (inertial frame of reference) เพราะระยะทางครอบคลุมในขณะที่แรงกระทำ จากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันข้อสามว่า เมื่อมีแรงกิริยาก็จะมีแรงปฏิกิริยา ซึ่งขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงความเฉื่อยในทิศทางตรงข้าม งานรวมทั้งหมดจึงเป็นอิสระจากกรอบอ้างอิงความเฉื่อย

อ้างอิง[แก้]

  1. Jammer, Max (1957). Concepts of Force. Dover Publications, Inc. ISBN 0-486-40689-X. 
  2. Sur une nouvelle dénomination et sur une nouvelle unité à introduire dans la dynamique, Académie des sciences, August 1826
  3. Tipler (1991), page 138.
  4. 4.0 4.1 Resnick, Robert and Halliday, David (1966), Physics, Section 7-2 (Vol I and II, Combined edition), Wiley International Edition, Library of Congress Catalog Card No. 66-11527
  5. Zitzewitz,Elliott, Haase, Harper, Herzog, Nelson, Nelson, Schuler, Zorn (2005). Physics: Principles and Problems. McGraw-Hill Glencoe, The McGraw-Hill Companies, Inc. ISBN 0-07-845813-7. 
  • Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed. ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7. 
  • Tipler, Paul (1991). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics (3rd ed., extended version ed.). W. H. Freeman. ISBN 0-87901-432-6. 

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]

เชิญเจ้ารำเถิดนะนางฟ้า ให้สิ้นท่าที่จำได้ ตัวข้าจะรำตามไป มิให้ผิดเผลงนางเทวี