หลักการงาน-พลังงานเชิงกล

หลักการงาน-พลังงานเชิงกล

ทฤษฎีงาน-พลังงานจลน์กล่าวว่า งานสุทธิ หรือ งานที่ทำโดยแรงสุทธิ เท่ากับ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์

W _net = TO _t – TO _o = 1⁄2 m(v _t ² – v _o ² )

_{งานสุทธิ} = แรงมีสองประเภท ได้แก่ แรงอนุรักษ์และแรงไม่อนุรักษ์ ดังนั้น งานสุทธิจึงถือได้ว่าประกอบด้วยงานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์และงานที่ทำโดยแรงไม่อนุรักษ์

Wc + _{Wnc =} ΔKE

งานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์เท่ากับค่าลบของการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักยภาพ:

W _c = -ΔPE

– ΔPE + W _nc = ΔKE

W _nc = ΔPE + ΔKE

Wnc = ΔME

สมการข้างต้นระบุว่า งานที่ทำโดยแรงที่ไม่คงตัวต่อวัตถุนั้นเท่ากับ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลของวัตถุ พลังงานกล = พลังงานศักยภาพ + พลังงานจลน์ พลังงานศักยภาพสามารถอยู่ในรูปของพลังงานศักยภาพโน้มถ่วงหรือพลังงานศักยภาพยืดหยุ่นได้

ตัวอย่างคำถาม: ทฤษฎีงาน-พลังงานเชิงกล

กล่องมวล 2 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเริ่มต้น 10 เมตร/วินาที หลังจากนั้นไม่นาน กล่องก็หยุดลง สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างกล่องกับพื้นคือ 0.2 ความเร่งโน้มถ่วงคือ 10 เมตร/วินาที^²การกระจัดของกล่องมีค่าเท่าใด

พูดคุย:

ระบุ: m = 2 kg, v _o = 10 m/s, vt = 0, k = 0.2, w = mg = (1 kg)(10 m/s ² ) = 10 kg m/s ² = 10 นิวตัน

ถาม: ปริมาณการเคลื่อนตัวของกล่อง (วินาที)

ทฤษฎีงาน-พลังงานเชิงกล:

W _nc = ΔME

W _nc = ΔPE + ΔKE

ความสูง (h) ยังคงที่หรือไม่มีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นพลังงานศักย์โน้มถ่วงจึงไม่มีการเปลี่ยนแปลง

Wnc = ΔKE

งานที่ทำโดยแรงเสียดทานจลน์คือ:

W _nc = – f _k s = μ _k N -s = μ _k w -s = μ k mg -s

W _nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)

แรงเสียดทานจลน์ทำงานเป็นลบ (แรงเสียดทานจลน์มีทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ)

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์:

ΔKE = 1⁄2 m (v _t ² – v _o ² ) = 1⁄2 (2)(0 ² – 10 ² ) = (0 – 100) = – 100

การเคลื่อนที่ของวัตถุ:

W _nc = ΔKE

– (4)(s) = – 100

s = – 100 / – 4 = 25 เมตร

20 คำถามและคำตอบเชิงแนวคิดเกี่ยวกับหลักการงาน-พลังงานเชิงกล:

1. คำถาม:หลักการงาน-พลังงานกลคืออะไร? คำตอบ:หลักการงาน-พลังงานกลกล่าวว่า งานที่ทำกับวัตถุเท่ากับความเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลของวัตถุนั้น

2. คำถาม:งานในวิชาฟิสิกส์นิยามอย่างไร? คำตอบ:งานนิยามได้ว่าคือผลคูณของแรงที่กระทำต่อวัตถุและระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับแรงนั้น

3. คำถาม:พลังงานกลประกอบด้วยอะไรบ้าง? คำตอบ:พลังงานกลประกอบด้วยพลังงานจลน์และพลังงานศักยภาพของวัตถุ

4. คำถาม:ในกรณีที่ไม่มีแรงที่ไม่เป็นอนุรักษ์ พลังงานกลรวมของระบบปิดจะมีค่าเท่าใด? คำตอบ:พลังงานกลรวมมีค่าคงที่

5. คำถาม:จงยกตัวอย่างแรงอนุรักษ์คำตอบ:แรงโน้มถ่วงเป็นตัวอย่างของแรงอนุรักษ์

6. คำถาม:พลังงานศักยภาพแตกต่างจากพลังงานจลน์อย่างไร? คำตอบ:พลังงานศักยภาพคือพลังงานที่เกิดจากตำแหน่ง เช่น ความสูงเหนือพื้นดิน ในขณะที่พลังงานจลน์เกิดจากการเคลื่อนที่

7. คำถาม:งานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์มีความสัมพันธ์กับพลังงานศักยภาพอย่างไร? คำตอบ:งานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์เท่ากับผลลบของการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักยภาพ

9. คำถาม:หลักการงาน-พลังงานกลอธิบายการเปลี่ยนพลังงานศักยภาพเป็นพลังงานจลน์ในวัตถุที่ตกลงมาอย่างอิสระได้อย่างไร? คำตอบ:เมื่อวัตถุตกลงมา พลังงานศักยภาพของวัตถุจะลดลง และพลังงานจลน์จะเพิ่มขึ้นในปริมาณที่เท่ากัน ทำให้พลังงานกลรวมคงที่

10. คำถาม:เกิดอะไรขึ้นกับพลังงานกลของระบบเมื่อมีแรงที่ไม่คงตัว เช่น แรงเสียดทาน กระทำต่อระบบนั้น? คำตอบ:พลังงานกลจะลดลงเนื่องจากแรงที่ไม่คงตัวทำให้พลังงานสูญเสียไป ซึ่งมักจะอยู่ในรูปของความร้อน

11. คำถาม:พลังงานกลของระบบสามารถเพิ่มขึ้นได้หรือไม่? คำตอบ:ได้ เมื่อมีงานภายนอกกระทำต่อระบบ

12. คำถาม:แนวคิดเรื่องงานเกี่ยวข้องกับพลังงานอย่างไร? คำตอบ:งานคือวิธีการที่พลังงานถูกถ่ายโอนหรือเปลี่ยนแปลงในระบบ

13. คำถาม:ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เราจะกล่าวอะไรได้บ้างเกี่ยวกับงานสุทธิที่กระทำต่อวัตถุนั้น? คำตอบ:งานสุทธิที่กระทำต่อวัตถุนั้นเป็นศูนย์ เพราะไม่มีความเร่งเกิดขึ้น

15. คำถาม:ทำไมสปริงที่ถูกบีบอัดจึงมีพลังงานศักยภาพ? คำตอบ:เมื่อสปริงถูกบีบอัด จะมีการทำงานเกิดขึ้นกับสปริง ซึ่งจะถูกเก็บสะสมไว้ในรูปของพลังงานศักยภาพ พลังงานนี้สามารถปล่อยออกมาได้เมื่อปล่อยสปริง

16. คำถาม:ทฤษฎีงาน-พลังงานคืออะไร? คำตอบ:ทฤษฎีงาน-พลังงานกล่าวว่า งานที่ทำต่อวัตถุเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ของวัตถุนั้น

17. คำถาม:กำลังมีความสัมพันธ์กับงานอย่างไร? คำตอบ:กำลังคืออัตราการทำงานหรือการถ่ายโอนพลังงาน สามารถคำนวณได้จากสูตร$P=W/t$โดยที่$W$คือ งาน และ$t$คือ เวลา

18. คำถาม:งานสามารถมีค่าเป็นลบได้หรือไม่? คำตอบ:ได้ งานจะมีค่าเป็นลบเมื่อแรงและทิศทางการเคลื่อนที่ตรงข้ามกัน

19. คำถาม:ถ้ามุมระหว่างแรงกับทิศทางการเคลื่อนที่คือ 90 องศา งานที่ทำคือเท่าใด? คำตอบ:งานที่ทำคือศูนย์ เพราะแรงไม่มีส่วนประกอบในทิศทางการเคลื่อนที่

20. คำถาม:เครื่องจักรกลอย่างง่าย เช่น คาน ช่วยให้การทำงานง่ายขึ้นได้อย่างไร? คำตอบ:คานไม่ได้เปลี่ยนปริมาณงานทั้งหมดที่ทำ แต่เปลี่ยนวิธีการออกแรง ทำให้งานนั้นจัดการได้ง่ายขึ้นหรือมีประสิทธิภาพมากขึ้น

แนวคิดเรื่องงานและหลักการพลังงานเชิงกลเป็นพื้นฐานสำคัญในวิชาฟิสิกส์ และเป็นพื้นฐานความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการถ่ายโอนและเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบต่างๆ