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 และความเร่งโน้มถ่วงคือ 10 เมตร/วินาที²²กล่องนี้มีการเคลื่อนที่ไปจากตำแหน่งเดิมเท่าไหร่?

พูดคุย:

ระบุ: m = 2 กก., v_o = 10 ม./วินาที, vt = 0, k = 0.2, w = mg = (1 กก.)(10 ม./วินาที)²) = 10 กก. ม./วินาที² = 10 นิวตัน

ถาม: ปริมาณการเคลื่อนตัวของกล่อง (วินาที)

ทฤษฎีงาน-พลังงานเชิงกล:

W_nc = ΔME

W_nc = ΔPE + ΔKE

ความสูง (h) ยังคงที่หรือไม่มีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นพลังงานศักย์โน้มถ่วงจึงไม่มีการเปลี่ยนแปลง

Wnc = ΔKE

งานที่ทำโดยแรงเสียดทานจลน์คือ:

W_nc = – เอฟ_k s = μ_k N -s = μ_k w -s = μk mg -s

W_nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)

แรงเสียดทานจลน์ทำงานเป็นลบ (แรงเสียดทานจลน์มีทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ)

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์:

ΔKE = 1⁄2 m (v_t² - v_o²) = 1⁄2 (2)(0² - 10²) = (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 งานที่ทำต่อวัตถุเท่ากับความเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลของวัตถุนั้น

2. คำถาม: งานในวิชาฟิสิกส์นิยามอย่างไร? คำตอบ: งาน หมายถึง ผลคูณของแรงที่กระทำต่อวัตถุ และระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับแรงนั้น

3. คำถาม: พลังงานกลประกอบด้วยอะไรบ้าง? คำตอบ: พลังงานกลประกอบด้วยพลังงานจลน์และพลังงานศักยภาพของวัตถุ

4. คำถาม: ในกรณีที่ไม่มีแรงที่ไม่คงตัวเข้ามาเกี่ยวข้อง เราจะสามารถกล่าวอะไรได้บ้างเกี่ยวกับพลังงานกลรวมของระบบปิด? คำตอบ: พลังงานกลรวมยังคงที่

5. คำถาม: ยกตัวอย่างแรงอนุรักษ์นิยมหนึ่งตัวอย่าง คำตอบ: แรงโน้มถ่วงเป็นตัวอย่างหนึ่งของแรงอนุรักษ์

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

7. คำถาม: งานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์มีความสัมพันธ์กับพลังงานศักยภาพอย่างไร? คำตอบ: งานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์มีค่าเท่ากับค่าลบของการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักยภาพ

9. คำถาม: หลักการงาน-พลังงานกลอธิบายการเปลี่ยนพลังงานศักยภาพเป็นพลังงานจลน์ในวัตถุที่ตกลงมาอย่างอิสระได้อย่างไร? คำตอบ: เมื่อวัตถุตกลงมา พลังงานศักย์ของวัตถุจะลดลง ในขณะที่พลังงานจลน์จะเพิ่มขึ้นในปริมาณที่เท่ากัน ทำให้พลังงานกลรวมคงที่

10. คำถาม: พลังงานกลของระบบจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อมีแรงที่ไม่คงตัว เช่น แรงเสียดทาน เข้ามากระทำ? คำตอบ: พลังงานกลลดลงเนื่องจากแรงที่ไม่คงตัวทำให้พลังงานสูญเสียไป ซึ่งส่วนใหญ่มักอยู่ในรูปของความร้อน

11. คำถาม: พลังงานกลของระบบสามารถเพิ่มขึ้นได้หรือไม่? คำตอบ: ใช่ เมื่อมีการดำเนินการแก้ไขระบบจากภายนอก

12. คำถาม: แนวคิดเรื่องงานมีความเกี่ยวข้องกับพลังงานอย่างไร? คำตอบ: งาน คือ กระบวนการที่ใช้ในการถ่ายโอนหรือเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบ

13. คำถาม: ถ้าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เราจะกล่าวอะไรได้บ้างเกี่ยวกับงานสุทธิที่กระทำต่อวัตถุนั้น? คำตอบ: งานสุทธิที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ เนื่องจากไม่มีการเร่งความเร็วเกิดขึ้น

15. คำถาม: เหตุใดสปริงที่ถูกบีอัดจึงมีพลังงานศักยภาพ? คำตอบ: เมื่อสปริงถูกบีบอัด งานจะเกิดขึ้นกับสปริง ซึ่งจะถูกเก็บสะสมไว้ในรูปของพลังงานศักยภาพ พลังงานนี้สามารถปล่อยออกมาได้เมื่อปล่อยสปริง

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

17. คำถาม: อำนาจเกี่ยวข้องกับการทำงานอย่างไร? คำตอบ: กำลัง คือ อัตราการทำงานหรือการถ่ายโอนพลังงาน คำนวณได้ดังนี้ $P=W/t$ที่นี่มี $W$ คือการทำงานและ $t$ เป็นเวลา

18. คำถาม: งานสามารถมีคุณค่าในเชิงลบได้หรือไม่? คำตอบ: ใช่แล้ว งานจะมีค่าเป็นลบเมื่อแรงและทิศทางการเคลื่อนที่ตรงข้ามกัน

19. คำถาม: ถ้ามุมระหว่างแรงกับทิศทางการเคลื่อนที่คือ 90 องศา งานที่ทำมีค่าเท่าใด คำตอบ: งานที่ทำมีค่าเป็นศูนย์ เนื่องจากแรงไม่มีส่วนประกอบในทิศทางของการเคลื่อนที่

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

แนวคิดเรื่องงานและหลักการพลังงานเชิงกลเป็นพื้นฐานสำคัญในวิชาฟิสิกส์ และเป็นพื้นฐานความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการถ่ายโอนและเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบต่างๆ