พลังงานกล

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

พลังงานกลคือพลังงานที่เกิดจากการกระทำของแรงที่ เกี่ยวข้องกับ การเคลื่อนที่ของวัตถุ หรือวัตถุพร้อมที่จะเคลื่อนที่ เช่นลูกมะพร้าวซึ่งจะลงบนพื้นดิน พลังงาที่สำคัญ 2 อย่างคือ พลังงานจลน์ พลังงานศักย์

1.พลังงานจลน์ เป็นพลังงานของวัตถุขณะเคลื่อนที่ เราสามารถหาค่าพลังงานจลน์ของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ เช่นจรวด รถยนต์ เป็นต้น 2.พลังงานศักย์ เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุพร้อมที่จะทำงาน พลังงานศักย์ แบ่ง 2 ชนิดคือ

   1) พลังงงานศักย์โน้มถ่วง 

จากกรณีที่กล่าวมาจะเห็นว่า เมื่อวัตถุ อยู่สูงจากระดับพื้นดิน วัตถุจะมีพลังงานในตัวเองขณะที่อยู่ ณ ระดับที่สุงนั้นๆ คือแรงดึงดูดของโลกที่จะพยายามจะดึงดูดวัตถุให้เข้าหาโลก เราเรียกพลังงานที่กระทำต่อวัตถุหรือดึงดูดวัตถุนี้ว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง

การทำงานของศักย์โน้มถ่วงหาได้ดังนี้

งานของแรงโน้มถ่วง W = Fs

                       = mgh = Ep 

นั่นก็คือ งานของแรงโน้มถ่วง = พลังงานศักย์โน้มถ่วง

   Ep = mgh 
   Ep = พลังงานศักย์โน้มถ่วง (J) 
   M = มวล (kg) 
   g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง มีค่าเท่ากับ 9.8 m/วินาที หรือประมาณ 10 m/ต่อวินาที 
   h = ความสูง (m)
 
   เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในมวลสารที่กำลังเคลื่อนที่ เช่น รถยนต์ที่กำลังวิ่ง กระสุนที่กำลังแหวกไปในอากาศ กระแสลม เป็นต้น 

ถ้าหากมีสิ่งใดขวางทางหรือหันเหทิศทางในการเคลื่อนที่ของมวลสารนี้ก็จะเกิดแรงกับสิ่งนั้นทันที ถ้าออกแรง F ผลักดันมวลสาร m ซึ่งอยู่กับที่ ให้ออกวิ่งจนมีความเร็ว v งานที่ใช้ไปในการผลักมวลสารไปเป็นระยะ ds คือ

   du = F x dsแต่แรง F = ma (ดูเรื่องแรง) โดย a คืออัตราเร่ง
   a =การเปลี่ยนความเร็ว
   ช่วงเวลา= dv
   dtและ dt เป็นช่วงเวลา โดยการแทนค่าแรง F จะได้
  • du = ma.ds = mdv ds
               dt

แต่ความเร็ว v = ds

               dt ดังนั้น du = mv.dv และงานทั้งหมดที่ใช้ในการผลักมวลสาร เริ่มตั้งแต่หยุดอยู่กับที่จนกระทั่งมีความเร็ว vt 
   2) พลังงานศักย์ยืดหยุ่น 

ถ้าดึงสปริงให้ยืดออกจะมีความรู้สึกว่ามีแรงที่สปริงพยายามดึงมือกลับ แรงดังกล่าวเกิดขึ้นในตัวสปริงเพื่อดึงสปริงคืน กลับสู่ตำแหน่งเดิม เช่นเดียวกับการอัดสปริง สปริงก็จะมีแรงดัรมือออก แรงดึงหรือดันของสปริง นี้จะมีขนาดเท่ากับ แรงที่มือเราดึงหรือกดสปริง ซึ่งเป็นแรงกิริยาและปฏิบัติตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สมาของนิวตันนั้นเอง

   พลังงานที่สะสมอยู่ในตัวสปริงขณที่มีการยืดออกหรือหดเข้าจากตำแหน่งสมดุล เรียกว่า พลังศักย์ยืดหยุ่น พลังงานศักย์ยืดหยุ่นในสปริงหาได้จากงานที่กระทำโดยแรง ภายนอกที่ใช้ดึงหรืออัดสปริงจะได้สูตรจากสมการต่อไปนี้ 
           Ep = W = 0.5kx*x 

การเปลี่ยนรูปพลังงาน

พลังงานรูปหนึ่งเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปอื่นๆ ได้ พลังงานที่มาจากการเปลี่ยนรูปนี้จะมีค่าเท่ากับพลังงานเดิมซึ่งเป็นไปตามกฎ อนุรักษ์พลังงาน ซึ่งมีใจความสำคัญว่า " พลังงานไม่อาจสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายให้หมดไปได้ แต่พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปหนึ่งไปเป็น รูปหนึ่งไปเป็นรูปอื่นได้ "

เป็นพลังงานกลที่สะสมอยู่ในมวลสาร พลังงานแบบนี้แบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ
       ก) เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในตัวเนื่องจากตำแหน่งของมวลสารในสนามแรงดึงดูด เช่น น้ำที่ถูกกักเก็บเอาไว้ในระดับสูง มวลสารของน้ำอยู่ในสนามแรงดึงดูดของโลก บนผิวพื้นโลก ความเข้มของแรงนี้มีค่าเกือบคงที่ คือ g = ๙๘๑ เซนติเมตร/วินาที2 ถ้าปล่อยให้น้ำไหลลงมาจะกลายเป็นน้ำตกซึ่งจะมีกำลังแรงเป็นปฏิภาคกับความสูงที่ตก ถ้า H เป็นระดับความสูงของมวลสาร mแรงที่ยกมวลสารนี้เท่ากับน้ำหนักของมวลสาร คือ W = mg งานที่ใช้ในการยกมวลสารนี้ให้มีความสูง H ก็คือ U = W x H และเป็นพลังงานศักย์ ยานอวกาศเมื่อโคจรเข้าไปในสนามแรงดึงดูดของดวงจันทร์ ก็สะสมพลังงานศักย์ไว้เป็นระดับสูงของยานอวกาศจากพื้นผิวดวงจันทร์
       ข) พลังงานศักย์ที่สะสมอยู่ในตัวเนื่องจากความเครียดยืดหยุ่นของมวลสาร เช่น ขดลวดสปริงที่ถูกอัดหรือถูกยืดเอาไว้ 

ระยะที่อัด หรือยืดนี้ คือความเครียดยืดหยุ่น ถ้าปลดปล่อยแรงที่บังคับสปริงไว้ มันก็จะดีด หรือรั้งกลับคืนสู่สภาพเดิม อากาศที่ถูกอัดไว้ในกระบอกสูบก็มีคุณลักษณะเช่นเดียวกัน แรงที่ใช้อัดขดลวดสปริงเป็นสัดส่วนกับระยะที่สปริงถูกอัด ดังนั้น แรงที่ใช้อัดให้สปริงหดเป็นระยะทาง S มีค่าเท่ากับ F = KS โดย K เป็นค่าคงตัวสำหรับขดลวดสปริงและงานที่ใช้ในการอัดนี้

ซึ่งเป็นค่าพลังงานศักย์ของขดลวดสปริงนั้น

   ทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์เป็นค่าสัมพัทธ์ หมายความว่าเป็นค่าเปรียบเทียบ เช่นรถยนต์คันหนึ่งแล่นด้วยความเร็ว ๘๐ กิโลเมตรต่อชั่วโมง รถคันนี้มีพลังงานจลน์มาก เมื่อเทียบกับรถที่จอดอยู่ แต่ถ้ามีรถอีกคันหนึ่งแล่นขนานกันไปด้วยความเร็วเท่ากัน จะไม่มีความแตกต่างระหว่างพลังงานจลน์ของรถทั้งสองเลย ดังนั้นถึงแม้ว่ารถทั้งสองคันจะสัมผัสกันก็จะไม่เกิดแรงขึ้นได้เลย ในทำนองเดียวกัน คนที่อยู่บนอาคารชั้นที่ ๒๐ มีพลังงานศักย์มากเมื่อเทียบกับระดับพื้นถนน แต่ถ้าเขาพลัดตกจากเก้าอี้ที่นั่งลงสู่พื้นห้องของชั้นนั้น เขาอาจจะไม่ได้รับบาดเจ็บเลย

อ้างอืง https://sites.google.com/site/rukjungeiei/phlangngan-kl