ฟิสิกส์หรรษา (งานและพลังงาน)

งาน

ผลของพลังงาน

                เมื่อมีแรงกระทำแก่วัตถุ และสามารถทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้จะเกิดงาน งานวัดได้จากผลคูณของระยะทางกับแรงตามแนวที่วัตถุเคลื่อนที่ เช่น แรง 14 ปอนด์ ดึงให้วัตถุเคลื่อนที่ ขึ้นมา 1 ฟุต  งานที่ต้องใช้คือใช้คือ 14 x 1 หรือ 14 ฟุต-ปอนด์  แต่ถ้าเมื่อยกวัตถุให้สูงขึ้นมาได้  2 ฟุต งานที่ต้องใช้ คือ 28 ฟุต-ปอนด์ เราอาจเขียนสมการได้ดังนี้

                งาน = ระยะทางที่เคลื่อนที่ x แรงตามแนวทิศทางของการเคลื่อนที่

                ถ้าใช้ม้าลากเรือให้เคลื่อนที่ไปตามคลอง โดยให้ม้าเดินอยู่บนฝั่ง ในกรณีนี้เรือไม่ได้เคลื่อนที่ไปตามแนวแรงที่ดึง ดังนั้น ในการคำนวณหางาน เราต้องหาเฉพาะส่วนของแรงในทิศทางที่ทำให้เรือเคลื่อนที่เท่านั้น ในการกล่าวถึงงานจึงต้องกล่าวอย่างระมัดระวัง ให้ถูกต้องและถี่ถ้วนว่า            งาน = ระยะทางที่เคลื่อนที่ x แรงตามแนวทิศทางของการเคลื่อนที่

                ทุกคนคงมองเห็นความแตกต่างของรถยนต์สองคันที่มีแรงม้าไม่เท่ากัน  รถสองคันนั้นอาจมีขนาดและน้ำหนักเท่ากัน  คันที่มีแรงม้ามากกว่าจะวิ่งเร็วกว่า และอาจวิ่งขึ้นทางชันๆ ได้ดี ที่เป็นเช่นนี้เพราะรถนั้นมีกำลังมาก มีแรงม้ามากกว่า แต่เนื่องจากรถทั้งสองคันนี้มีน้ำหนักเท่ากัน เมื่อรถขึ้นไปบนยอดเขา ก็อาจพูดได้ว่าได้งานเท่ากัน แต่รถที่มีกำลังมากกว่าจะวิ่งขึ้นไปได้เร็วกว่า เราจึงพูดว่า รถคันนี้มีกำลังมากกว่า ถ้ารถคันนี้วิ่งขึ้นไปได้ภายในเวลาเพียงครึ่งหนึ่งของคันที่วิ่งช้ากว่า รถคันแรกมีกำลังมากเป็นสองเท่า เพราะมันทำงานได้เร็วกว่าเป็นสองเท่า

                ฉะนั้น กำลังคืออัตราความเร็วของการทำงาน เช่น เด็กยกน้ำหนัก 10 ปอนด์ ขึ้นสูง 2 ฟุต ในเวลา 1 วินาที  เด็กคนนี้ทำงาน 20 ปอนด์ ใน 1 วินาที ถ้าเด็กอีกคนหนึ่งทำงานอย่างเดียวกันได้ในเวลา 2 วินาที งานที่ทำคือ 20 ปอนด์  ใน 2 วินาที หรือทำช้าเมื่อเทียบเด็กคนแรก 2 เท่าตัวนั้น  คือ ใช้กำลังเพียง 10 ฟุต-ปอนด์ ต่อ 1 วินาที

                เราอาจวัดความเร็วในการทำงาน หรือวัดกำลังได้ เช่น เดียวกับที่เราวัดงาน เราวัดกำลังเป็น  แรงม้า 1 แรงม้า คืองาน 33,000 ฟุต-ปอนด์ ใน  1 นาที หรือ  550 ฟุต-ปอนด์ ใน 1 วินาที ถ้าเครื่องจักรสามารถยกน้ำหนัก 550 ปอนด์ขึ้นสูง 1 ฟุต ในเวลา 1 วินาที  เครื่องจักรเครื่องนี้มีกำลัง 1 แรงม้า หรือถ้ายกน้ำหนัก 275 ปอนด์ให้สูง 2 ฟุต ในเวลา 1 วินาที กำลังที่ใช้ก็เท่ากับ 1 แรงม้า

แรงม้า คือ อัตราเร็วในการทำงาน  วัดได้เพียงว่า 1  แรงม้า เท่ากับงานที่ทำ  33,000  ปอนด์ใน  1 นาที

พลังงานที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่  หรือ

พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่เรียกว่า  พลังงานจลน์  เช่น
        1. พลังงานลม  เป็นพลังงานที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคของอากาศ  เกิดเป็นสภาพของลมพัด  ซึ่งพลังงานลมที่แรงมากเพียงพอจะสามารถทำให้กังหันลมหมุนได้     

        2. พลังงานน้ำ  เป็นพลังงานที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคน้ำ  เช่น  การไหลของกระแสน้ำ  การไหลของน้ำตกจากหน้าผา  และการเกิดคลื่นในน้ำ  ซึ่งพลังงานน้ำที่แรงมากเพียงพอจะสามารถทำให้กังหันน้ำหมุนได้

       3. พลังงานเสียง  เป็นพลังงานที่ทำให้อนุภาคของอากาศเคลื่อนที่ในลักษณะที่เกิดเป็นส่วนอัดส่วนขยาย  ซึ่งจะมีการเคลื่อนที่แรงมากหรือน้อย  ตลอดจนความถี่ของส่วนอัดและส่วนขยายที่เกิดขึ้นมากหรือน้อยจะขึ้นอยู่กับความดังและลักษณะเสียงสูงและต่ำที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดของเสียง  นอกจากนั้นพลังงานเสียงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคอากาศในลักษณะดังกล่าว    เมื่อเดินทางมาถึงหูมนุษย์ก็ทำให้เยื่อแก้วหูเกิดการสั่นที่แรงมากหรือน้อยและมีความถี่ของการสั่นต่างๆ กัน  และเปลี่ยนพลังงานเสียงให้กลายเป็นพลังงานกล  ซึ่งจะถ่านแรงสั่นสะเทือนดังกล่าวให้กระดูกค้อน  ทั่ง  และโกลน  จนกระทั่งถึงอวัยวะรูปก้นหอยที่มีเซลล์ประสาทจะเปลี่ยนพลังงานกลเหล่านั้นให้กลายเป็นกระแสประสาท  แล้วส่งไปยังสมองซึ่งแปลความออกมาเป็นเสียงที่เราได้ยิน  

    4. พลังงานคลื่น คลื่นในทะเล และมหาสมุทร ปกติเกิดจากลม แต่ในบางกรณี เกิดจากการเคลื่อนไหว ของเปลือกโลก เช่น แผ่นดินไหว พลังงานคลื่น สามารถนำมา ผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าได้