หน่วยการเรียนรู้ที่ 2 งานและพลังงาน

1. ใบความรู้
เรื่อง งานและพลังงาน
หน่วยการเรียนรู้ที่ ๒ งานและพลังงาน เรื่อง งาน
...............................................................................................
..................................................
งาน คือ การออกแรงกระทาต่อวัตถุ
และวัตถุที่ถูกกระทามีการเคลื่อนที่ไปตามทิศของแรง มีหน่วยเป็นจูล
พลังงาน คือ ความสามารถทางานได้
สิ่งใดที่มีการเปลี่ยนแปลงหรือมีการเคลื่อนที่ สิ่งนั้นย่อมมีพลังงาน
พลังงานมีหลายรูปแบบ ได้แก่พลังงานความร้อน พลังงานแสง
พลังงานเสียง พลังงานกล พลังงานไฟฟ้ า พลังงานเคมี เป็นต้น
พลังงานมีความจาเป็นต่อการดารงชีวิตของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
และมีความเกี่ยวข้องกับมนุษย์มาตั้งแต่โบราณ
จนกระทั่งปัจจุบันมนุษย์ได้ใช้พลังงานต่างๆ
ทากิจกรรมในการดารงชีวิตและใช้อานวยความสะดวกได้มากขึ้น
พลังงานกล แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ
1. พลังงานจลน์ คือ พลังงานที่เกิดกับวัตถุที่กาลังเคลื่อนที่ เช่น
น้าไหล คนเดิน รถกาลังแล่น นกกาลังบิน เป็นต้น
วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง
จะมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่า
แต่ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันวัตถุที่มีมวลมากกว่า
จะมีพลังงานจลน์มากกว่า
2. พลังงานศักย์ คือ
พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุเนื่องมาจากตาแหน่งของวัตถุ แบ่งเป็น
2.1 พลังงานศักย์โน้มถ่วง
เป็นพลังงานที่มีอยู่ในวัตถุซึ่งอยู่ในที่สูง
เกิดขึ้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทาต่อวัตถุ
วัตถุที่อยู่บนพื้นดินถือว่าไม่มีพลังงานศักย์โน้มถ่วง
แต่วัตถุที่อยู่สูงจากพื้นดิน มีพลังงานศักย์โน้มถ่วง
และถ้าวัตถุอยู่สูงจากพื้นดินมากเท่าใด ก็จะมีพลังงานศักย์
โน้มถ่วงมากขึ้นตามไปด้วย
2.1 พลังงานศักย์ยืดหยุ่น
เป็นพลังงานศักย์ที่มีอยู่ในวัตถุที่ยืดหยุ่นได้โดยเฉพาะสปริง
สปริงที่อยู่ในสภาพปกติคือไม่ถูกยืดหรือหด จะถือว่า
ไม่มีพลังงานศักย์ยืดหยุ่น แต่ถ้าเรายืดสปริง
หรือกดสปริงเข้าไปในขณะที่สปริงถูกยืดหรือถูกกดให้หดนั้น สปริงจะมี
พลังงานศักย์ยืดหยุ่น

2. พลังงานทั้งสองประเภทอาจอยู่ในรูปของพลังงานต่าง ๆ ดังนี้
1. พลังงานเคมี
เป็นพลังงานศักย์ที่แฝงหรือสะสมอยู่ในโครงสร้างของสสาร
เช่น
พลังงานเคมีที่อยู่ในน้ามันเชื้อเพลิง ถ่านหิน แก๊ซธรรมชาติ ในฟื น
ในถ่านไม้
เมื่อถูกเผาไหม้ก็จะปล่อยพลังงานเคมีออกมาในรูปของพลังงานความร้อน
พลังงานแสง หรือพลังงานกล
2. พลังงานไฟฟ้ า
เป็นพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเลกตรอนไปตามวัตถุ
ที่
เป็นตัวนาไฟฟ้ า ดังนั้นพลังงานไฟฟ้ าจึงเป็นพลังงานจลน์
พลังงานไฟฟ้ าสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานความร้อน พลังงานแสง
พลังงานกล และอื่น ๆ
3. พลังงานกล เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่
โดยตรงของวัตถุต่างๆ
ถ้าวัตถุอยู่นิ่งจะมีพลังงานศักย์ แต่ถ้าวัตถุเคลื่อนที่จะมีพลังงานจลน์
4. พลังงานแผ่รังสี เป็นพลังงานที่อยู่ในรูปของคลื่น เช่น แสง
เสียง ความร้อน
คลื่นวิทยุ และรังสีต่าง ๆ ซึ่งเป็นพลังงานจลน์
5. พลังงานนิวเคลียร์
เป็นพลังงานที่ถูกปล่อยออกจากสารกัมมันตรังสีที่มีอยู่ตาม
ธรรมชาติหรือจากเตาปฏิกรณ์ปรมาณู หรือระเบิดนิวเคลียร์
งาน (Work , W) ความหมายโดยทั่วไป
เป็นการกระทากิจกรรมหรือสิ่งใด ๆ เพื่อที่จะได้รับซึ่งผลตอบแทน เช่น
การรดน้าต้นไม้การเล่นฟุตบอล การวาดภาพ การล้างรถการล้างจาน
ความหมายของงานทางวิทยาศาสตร์ เป็นผลจากการกระทาของแ
รงต่อวัตถุอย่างต่อเนื่องและทาให้วัตถุเคลื่อนที่ตามแนวแรงกระทา
แรงที่กระทาต่อวัตถุแล้วทาให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบแสดงว่าเกิดงา
น ถ้าเราออกแรงกระทาต่อวัตถุแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่ แสดงว่าไม่เกิดงาน
ดังนั้นการเกิดงานจะต้องมีแรงกระทาและระยะทางการเคลื่อนที่เ
กี่ยวข้องเสมอเช่น การออกแรงดันตู้เสื้อผ้าจากกลางห้องเลื่อนไปติดผนัง
แต่ถ้าออกแรงดันแล้วตู้ไม่ขยับหรือเคลื่อนที่จากเดิมถือว่า
ไม่เกิดงาน
ปริมาณของงานขึ้นอยู่กับ
1. ขนาดของแรงที่ใช้
2. ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแนวแรง
3. ทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุตามแนวแรง

3. เราสามารถหาขนาดของงานได้จากผลคูณระหว่างขนาดของแรงกับการก
ระจัดตามแนวแรงนั้น เขียนเป็นสมการจะได้
W = Fs
เมื่อ F คือ ขนาดของแรงที่ทาให้เกิดงาน มีหน่วยเป็น
นิวตัน (N)
s คือ ระยะกระจัด มีหน่วยเป็น เมตร(m)
W คือ งาน มีหน่วยเป็น นิวตันเมตร
(N m)หรือจูล (J)
เช่น การออกแรงยกกล่องให้สูงขึ้น
ทิศทางการเคลื่อนที่ของกล่องมีทิศทางเดียวกับแนวแรง
การกระทาเช่นนี้เป็นการทาให้เกิดงานทางวิทยาศาสตร์
หมายเหตุ
ถ้าทิศของแรงมีทิศเดียวกับทิศของระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่
ต้องแทนค่าแรง (F) เป็นบวก
ถ้าทิศของแรงมีทิศตรงกันข้ามกับทิศของระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ต้องแท
นค่าแรง (F) เป็นลบ
หน่วยของงานในระบบเอสไอ คือ จูล (J) หรือนิวตัน-เมตร (N-
m) โดยที่ 1 จูลของงานที่ทาเกิดจากการออกแรง 1
นิวตันกระทาต่อวัตถุให้วัตถุเคลื่อนที่ไปได้1 เมตร
ตามทิศทางของแนวแรง

4. จากรูป งานขนาด 1 จูลที่ทาได้เมื่อยกกล่องหนัก 1
นิวตันขึ้นไปในแนวดิ่งเป็นระยะทางสูง 1 เมตร
ซึ่งเราอาจใช้หน่วยของงานที่ใหญ่กว่าจูล เช่น กิโลจูล (kJ)เมกะจูล (MJ)
เป็นต้น
เมื่อ
1 kJ = 1,000 J
1 MJ = 1,000,000 J
ตัวอย่างวินัยออกแรงยกกล่องด้วยแรง 30 นิวตัน แล้วเดินขึ้นบันได5
ขั้น แต่ละขั้นสูง 20 เซนติเมตร
งานที่วินัยทาจากการยกกล่องขึ้นบันไดมีค่าเท่าใด
วิธีทา จากโจทย์ความสูงของขั้นบันใด= 5 x 20
= 100 cm
= 1 m
จากสูตร W = F x s
= 30 n x 1 m
= 30 J (n-m)
ตอบ วินัยทางานจากการลากกล่องได้30 จูล
กรณีแรง F
กระทาต่อวัตถุในแนวทามุมกับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุแล้ว
ทาให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ระยะกระจัด S

5. แรง F ไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่กล่าวคือแรง F
อยู่ในแนวเอียงแต่การเคลื่อนที่อยู่ในแนวราบ
ซึ่งจะคานวณหางานจากสูตร W=Fsไม่ได้ดังนั้น
จึงต้องพิจารณาโดยการแตกแรงคือแตกแรงเป็นแรงองค์ประกอบในแนว
ราบ และแนวดิ่ง
แรงที่อยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่คือแรง
Fcosซึ่งอยู่ในแนวราบ
และวัตถุก็เคลื่อนที่ในแนวราบจึงถือได้ว่าอยู่ในแนวเดียวกัน
เพราะฉะนั้นสามารถคานวณหางานได้จาก
งาน (W) = แรง (Fcos ) x ระยะ (S) ; คือมุมที่แรงทากับแนวระนาบ
ตัวอย่าง จงหางานที่เกิดขึ้น เมื่อสมปองออกแรง 200 นิวตัน
ลากกระสอบข้าวสาร เคลื่อนที่เป็นระยะทาง
20 เมตร
ก. ทามุม 0 องศากับพื้นราบ
ข. ทามุม 60 องศากับพื้นราบ
วิธีทา ก. เมื่อทามุม 0 องศากับพื้นราบ
จาก สูตร W = s cos
เมื่อ = 200 N
s = 20 m
cos 0 ํ = 1
แทนค่า W = 200 n x 20
m
= 4,000 J(n-
m)
งานที่เกิดขึ้น 4,000 จูล หรือ 4 กิโลจูล

6. ข. เมื่อทามุม 60 องศากับพื้นราบ
จาก สูตร W = s
cos
เมื่อ = 200 N
s = 20 m
cos 60 ํ = 0.5
แทนค่า W = 200 x 20 x
0.5
= 2,000 J
งานที่เกิดขึ้น 2,000 จูล