งานเเละพลังงาน หน่วยการเรียนรู้ที่ 5 -งาน กําลัง เเละเครื่องกลอย่างง่าย -พลังงานกล เเละกฎการอนุรักษ์พลังงาน
งาน กําลัง เเละเครื่องกลอย่างง่าย บทที่ 1
งาน ตามความหมายทางวิทยาศาสต์งาน คือ การออกแรงกระทํา ต่อวัตถุแล้วทําให้วัตถุเคลื่อนที่ในแนวเดียวกับทิศทางของแรง หากวัตถุไม่มีการเคลื่อนที่ หรือมีแรงมากระทําในทิศตั้งฉากกับ การเคลื่อนที่ จะไม่ทําให้เกิดงาน #สรุป : งานเป็นผลของเเรงที่ทําให้วัตถุเคลื่อนที่
ตัวอย่าง : การออกแรงกระทําต่อวัตถุ S S F F *เนื่องจาก COS90=0 W = FCOSO.S W = FSCOSO W = 0
ขนาดของแรงและขนาดของการกระจัดในแนวเดียวกัน งานจะมีค่า หรือ ขึ้นอยู่กับ คํานวณได้จาก W = FS w แทน งาน มีหน่วยเป็น นิวตัน เมตร (N m) F แทน ขนาดแรงที่กระทําต่อวัตถุ มีหน่วยเป็น นิวตัน (N) S แทน ขนาดการกระจัดตามแนวแรง มีหน่วยเป็น เมตร (m) งาน
การคํานวณงานจะคํานึงถึง ทิศทางของแรงและทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ ถ้าทิศทางของแรงและทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ มีทิศทางเดียวกัน ค่าของงานที่ได้จะกําหนดให้เป็นบวก ถ้าทิศทางของแรงและทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ มีทิศทางตรงข้ามกัน ค่าของงานที่ได้จะกําหนดให้เป็นลบ F F S S
กําลัง ปริมาณงานที่ทําได้ในหนึ่งหน่วยเวลา : กําลังม้า / กําลังเเรงม้า ? บอกถึงกําลังของเครื่องยนต์ มีขนาด 735.5 วัตต์ 1 กิโลวัตต์ = 1000 วัตต์
P แทน กําลัง มีหน่วยเป็น จูลต่อวินาที (J/s) หรือ วัตต์ (w) W แทน งาน มีหน่วยเป็น จูล (J) T แทน เวลา มีหน่วยเป็น วินาที (s) คํานวณได้จาก P = W T กําลัง เมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ P = W = FS = FV #S/T = V T T
กําลังในการทํางานนอกจากจะพิจารณาจากงานแล้ว ยังพิจารณาจากพลังงานอื่นๆ ได้ด้วย เช่น พลังงานความร้อน พลังงานไฟฟ้า
เครื่องกลอย่างง่าย ความแตกต่างของมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่เห็นได้ชัดอย่างหนึ่ง คือ การที่มนุษย์สามารถนําสิ่งรอบตัว มาเป็นอุปกรณ์เครื่องมือเครื่องใช้เครื่องกลต่างๆ เพื่อ อํานวยความสะดวก หรือ ผ่อนแรง ในการทํางาน
VS ไม่ใช้เครื่องกล ใช้เครื่องกล ออกเเรงอย่างน้อย เท่ากับน้าหนักของวัตถุ ออกเเรงน้อยกว่า น้าหนักของวัตถุ #ไม่ช่วยผ่อนแรง #ช่วยผ่อนแรง
เครื่องกลอย่างง่าย พื้นเอียง คาน รอก ล้อเเละเพลา สกรู ลิ่ม เมื่ออกแรงกระทําต่อเครื่องกลเพื่อให้เกิดงาน งานที่ให้กับเครื่องกลมีขนาดเท่ากับ ผลคูณของแรงกับขนาดของการกระจัดตามแนวแรง
งานที่ ให้กับเครื่องกล = งานที่ ได้จากเครื่องกล งานที่ได้จากเครื่องกลอาจไม่เท่ากับงานที่ให้กับเครื่องกล เพราะมีการสูญเสียพลังงาน เนื่องจากแรงเสียดทาน โดยพลังงานที่สูญเสียอาจเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อนหรือพลังงานเสียง งานที่ ให้กับเครื่องกล < งานที่ ได้จากเครื่องกล
หลักการ พื้นเอียง การยกวัตถุขึ้นในแนวดิ่งและการลากวัตถุไปตามพื้นเอียงที่ไม่มีแรงเสียดทาน ให้ได้ระยะ ความสูงเท่ากัน ระยะทางที่ลากวัตถุไปตามพื้นเอียงจะมากกว่าการยกวัตถุขึ้นขึ้นในแนวดิ่ง ⭐ เเรง เเรง เเรง เเรง ระยะทาง ระยะทาง ความสูง ความสูง
พื้นเอียง งานที่ยกวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง มีค่าเท่ากับงานที่ลากวัตถุไปตามพื้นเอียง เนื่องจาก ระยะทางที่ใช้ในการออกแรงตามพื้นเอียงมากกว่าระยะทางที่ใช้ใน การยกวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง การที่ระยะทางที่ใช้ในการออกแรงตามพื้นเอียงมาก ดังนั้น การลากวัตถุไปตามพื้นเอียงจึงออกแรงน้อยกว่า การยกวัตถุขึ้นในเเนวดิ่ง
หลักการ คาน คานเป็นเครื่องกลอย่างง่ายที่พบได้ทั่วไป โดยออกแรงที่ปลายด้านหนึ่ง เพื่อให้วัตถุอีกด้านเคลื่อนที่ ⭐ ระยะทางที่ออกเเรง ทิศทางของการ ออกเเรง ระยะทางที่ วัตถุเคลื่อนที่ ทิศทางการเคลื่อนที่ ของวัตถุ ทิศทางของการ ออกเเรง
คาน งานที่ให้แก่คานตรงด้านที่ออกแรง จะเท่ากับงานที่ได้จากคานด้านที่วัตถุเคลื่อนที่ ยิ่งระยะทางที่ออกแรงมากกว่าระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ ดังนั้น แรงที่กระทําต่อคานจะน้อยกว่าแรงที่กระทําต่อวัตถุ คานจึงช่วยผ่อนแรงได้
หลักการ รอก รอกเป็นเครื่องกลอย่างง่ายที่มีลักษณะเป็นวงกลม มีแกนหมุน ที่ขอบเป็นร่องสําหรับพาดเชือก ใช้ดึงเเละยกวัตถุขึ้นที่สูง ⭐
รอก รอกเดี่ยว รอกเดี่ยว เเบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ ตายตัว เคลื่อนที่ รอก แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ รอกพวง เเรง เเรง เเรง
รอก รอกเดี่ยวตายตัว รอกเดี่ยวเคลื่อนที่ เป็นรอกที่ตรึงติดอยู่กับที่ ใช้เชือกหนึ่งเส้นพาดรอบล้อ โดยจะมีปลายข้างหนึ่งผูกติดกับวัตถุ ปลายอีก ข้างหนึ่งใช้สําหรับดึง เมื่อดึงวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง แรงที่ใช้ดึงจะมีค่าเท่ากับน้าหนักของวัตถุ รอกเดี่ยว ตายตัวไม่ช่วยผ่อนแรง แต่สามารถอํานวยความสะดวกในการทํางาน เช่น การชักธงชาติขึ้นสู่ยอดเสา เป็นรอกที่เคลื่อนที่ได้ขณะที่ใช้งาน วัตถุผูกติดกับตัวรอกใช้เชือกหนึ่งเส้นพาดรอบล้อโดยปลายข้างหนึ่ง ผูกติดกับเพดาน ปลายอีกข้างหนึ่งใช้สําหรับดึง เมื่อดึงวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง แรงที่ใช้ดึงมีค่าเท่ากับครึ่ง หนึ่งของน้าหนักของวัตถุรอกเดี่ยวเคลื่อนที่เป็นเครื่องกลที่ช่วยผ่อนแรง
รอก รอกพวง ไม่ว่าจะเป็นรอกชนิดไหน งานก็ยังเท่ากันเสมอ ประกอบด้วยรอกเดี่ยวเคลื่อนที่หลายตัว รอกแต่ละตัวมีเชือกคล้องหนึ่งเส้น โดยปลายข้างหนึ่งผูกติดกับเพดาน ปลายอีกข้างหนึ่งผูกกับรอกตัวถัดไป วัตถุผูกติดกับรอกตัวล่างสุด เชือกที่คล้องรอบรอกตัวบนสุดใช้สําหรับดึง
หลักการ ล้อเเละเพลา ล้อและเพลา ประกอบไปด้วยล้อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าเพลา เมื่อออกแรงกระทําต่อล้อให้หมุนก็จะทําให้เพลาหมุนพร้อมกัน และทําให้วัตถุที่ติดกับเพลาเคลื่อนที่ไปด้วย ⭐ เพลา ล้อ ระยะทางที่ ออกเเรง ระยะทางที่ วัตถุเคลื่อนที่ ล้อ : เเรงที่ออก เพลา : เเรงที่ต้าน เเรง
ล้อเเละเพลา งานที่ให้แก่เครื่องกล คือ งานในการทําให้ล้อหมุน งานที่ได้จากเครื่องกล คือ งานที่เพลาทําให้วัตถุเคลื่อนที่ เนื่องจากความยามของเส้นรอบวงของล้อมากกว่าเพลา ทําให้ระยะทางที่ออกแรงมากกว่าระยะที่วัตถุเคลื่อนที่ ดังนั้น จึงทําให้แรงที่กระทําต่อล้อน้อยกว่าเพลา งานที่ให้แก่ล้อ จะเท่ากับ งานที่ได้จากเพลา
หลักการ สกรู ⭐ สกรูเป็นเครื่องกลที่ออกแรงปลายคาน เพื่อทําให้เกลียวหมุน เมื่อหมุนครบ 1 รอบ จะทําให้เกลียวหมุนได้ 1 รอบ ซึ่งจะทําให้สกรูเคลื่อนที่ขึ้นลงได้ระยะ 1 ระยะเกลียว 1 ระยะเกลียว ทิศทางการหมุน
สกรู งานที่ให้แก่สกรูคือ งานที่ทําให้คานเคลื่อนที่ไป งานที่ได้จากสกรูคือ งานที่สกรูทําในการเคลื่อนที่ขึ้นลง เนื่องจากคานมีความยาวมากกว่าระยะเกลียว ดังนั้น จึงทําให้แรงที่กระทําต่อคานน้อยกว่าแรงที่ได้จากสกรู งานที่ให้แก่สกรูและ งานที่ได้จากสกรูจะเท่ากัน
หลักการ ลิ่ม ⭐ ลิ่มมีลักษณะเป็นสามเหลี่ยม ใช้สําหรับแยกวัตถุออกจากกัน โดยออกแรงที่ฐานสามเหลี่ยม ให้ลิ่มเข้าไปในเนื้อวัตถุ แล้วทําให้วัตถุแยกออกจากกัน เเรง เเรง
ลิ่ม งานที่ให้แก่เครื่องกล คือ งานในการทําให้ลิ่มเคลื่อนเข้าไปในวัตถุ งานที่ได้จากเครื่องกล คือ งานที่ลิ่มแยกเนื้อวัตถุออกจากกัน ยิ่งลิ่มมีความสูงของสามเหลี่ยมมากๆ ก็จะทําให้ระยะทางในการออกแรงมาก และช่วยผ่อนแรงในการแยกวัตถุได้มาก ความสูง ของลิ่ม
พลังงานกล บทที่ 2 และกฎการอนุรักษ์พลังงาน
พลังงานกล แบ่งออกเป็น 2 ประเภท พลังงานกลเป็นพลังงานที่อยู่ใกล้ตัวเรามาก เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ 1. พลังงานศักย์ 2. พลังงานจลน์
พลังงานศักย์ พลังงานที่สะสมอยู่ในตัววัตถุซึ่งอาจถูกปลดปล่อยออกมาเป็นพลังงาน รูปแบบอื่นๆได้เป็นปริมาณสเกลาร์เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ (Ep) มีสองลักษณะ คือ 1. พลังงานศักย์โน้มถ่วง 2. พลังงานศักย์ยืดหยุ่น
⭐ พลังงานศักย์โน้มถ่วง เป็นพลังงานศักย์ที่สะสมในวัตถุ เมื่ออยู่บนที่สูง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่า หรือ ขึ้นอยู่กับ มวลและตําแหน่งแนวดิ่ง เช่น การตกของลูกมะพร้าวจากต้น การปล่อยตุ้มตอกเสาเข็ม หลักการ
วัตถุมีมวลเท่ากัน แต่อยู่ สูงจากระดับอ้างอิงแตกต่างกัน จะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงแตกต่างกัน โดยวัตถุที่อยู่สูงจากระดับ อ้างอิงมากกว่า จะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่า วัตถุที่อยู่สูงจากระดับอ้างอิงเท่ากัน แต่มีมวลต่างกัน วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง
หาพลังงานศักย์โน้มถ่วง ได้จาก Ep = mgh Ep แทน พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็น จูล (J) m แทน มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg) g แทน ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก h แทน ระยะหรือความสูงจากระดับอ้างอิง มีหน่วยเป็น เมตร (m)
⭐ พลังงานศักย์ยืดหยุ่น พลังงานศักย์ของสปริงขณะที่ยืดออก หรือหดเข้าจากตําแหน่งสมดุล เช่น เมื่อนําวัตถุติดไว้ตรงปลายสปริง หากเราไม่ดึงสปริงให้ยืดหรือกดสปริง ให้ยุบ จุดที่วัตถุอยู่ (ปลายสปริง) จะเรียกจุดสมดุล ณ จุดตรงนี้วัตถุจะไม่มี พลังงานศักย์หากเราดึงสปริงให้ยืดหรือกดให้ยุบ ให้วัตถุอยู่ห่างจากจุดสมดุล ในวัตถุจะมีพลังงานศักย์สะสมอยู่เรียกว่าพลังงานศักย์ยืดหยุ่น หลักการ
หาพลังงานศักย์ยืดหยุ่น ได้จาก Ep = 1k 2 Ep แทน พลังงานศักย์ยืดหยุ่น มีหน่วยเป็น จูล (J) K แทน ค่านิจของสปริง มีหน่วยเป็น นิวตัน เมตร (N m) X แทน ระยะห่างจากจุดสมดุล มีหน่วยเป็น เมตร (m) 2 x
พลังงานจลน์ พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุที่กําลังเคลื่อน เป็นปริมาณสเกลาร์ เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ (Ek) อัตราเร็วเเละมวลในการเคลื่อนที่ของวัตถุ พลังงานจลน์จะมีค่า หรือ ขึ้นอยู่กับ
วัตถุที่มีมวลเท่ากัน แต่เคลื่อนที่ด้วย อัตราเร็วต่างกัน วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วมากกว่า จะมีพลังงานจลน์มากกว่า วัตถุที่มีมวลต่างกัน เคลื่อนที่ด้วย ความเร็วเท่ากัน จะมีพลังงานจลน์ต่างกัน โดยวัตถุที่มีมวลมากกว่า จะมีพลังงานจลน์มากกว่า พลังงานจลน์
กฎการอนุรักษ์พลังงาน ⏩ พลังงานไม่สามารถสูญหายหรือสร้างใหม่ได้ เเต่สามารถเปลี่ยนรูปหรือถ่ายโอนได้ ▫เช่น : การดูโทรทัศน์ = เปลี่ยนจากพลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานเสียงเเละเเสง
กฎการอนุรักษ์พลังงานกล พลังงานกลของวัตถุตําแหน่งต่างๆ จะมีค่าคงที่เสมอ เมื่อไม่มีเเรงภายนอกมาเกี่ยวข้อง แต่ในสถานการณ์จริง อาจพบว่าพลังงานกลมีค่าไม่คงตัว เนื่องจากมีแรงต้านจากอากาศไปต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ งานของแรงต้านอากาศทําให้พลังงานกลของระบบหายไปส่วนหนึ่ง ซึ่งอาจเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน หรือพลังงานเสียง ⏩