เกรด 7 · งาน กำลัง และพลังงาน
งานเชิงกลและกำลัง
เมื่อใดเกิดงาน และเปรียบเทียบอัตราการทำงานอย่างไร
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
การถือกระเป๋าหนักทำให้เหนื่อย ส่วนการยกขึ้นชั้นเป็นอีกการกระทำหนึ่ง เราจะแยกความพยายามของคนออกจากผลเชิงกลที่เกิดกับกระเป๋าได้อย่างไร? ลองดูว่ามีการกระจัดหรือไม่ และแรงมีทิศใด
งานบอกอะไร
เปรียบเทียบการถือกระเป๋าให้นิ่งกับการยก มือออกแรงทั้งสองกรณี แต่กระเป๋าเปลี่ยนตำแหน่งเฉพาะเมื่อยก งานเชิงกล A อธิบายพลังงานที่ถ่ายโอนด้วยแรงเมื่อเกิดการกระจัด เราจะเรียนเรื่องพลังงานเพิ่มเติมเร็ว ๆ นี้ ตอนนี้ควรจำว่างานเป็นของแรงหนึ่งที่กระทำต่อวัตถุหนึ่ง ถ้ากระเป๋าไม่เคลื่อนที่ งานของแรงมือที่กระทำต่อกระเป๋าเป็นศูนย์ แม้กระบวนการภายในร่างกายยังใช้พลังงานอยู่
แรงตามแนวการเคลื่อนที่
ลังเคลื่อนไปขวา แรงดึงไปขวาถ่ายโอนพลังงานให้ลังและทำงานบวก ส่วนแรงเสียดทานไปซ้ายทำงานลบ แรงโน้มถ่วงอยู่ในแนวดิ่ง จึงทำงานเป็นศูนย์เมื่อการกระจัดอยู่ในแนวระดับล้วน ๆ มันไม่ได้ช่วยหรือต้านการกระจัดนี้ ดังนั้นเพียงมีแรงไม่ได้รับประกันว่างานจะไม่เป็นศูนย์ ต้องตรวจทั้งการกระจัดและทิศแรง
สูตรอย่างง่าย
ยิ่งแรงดึงคงที่มากและลากลังไปตามทิศแรงได้ไกล พลังงานที่ถ่ายโอนยิ่งมาก สำหรับแรงคงที่ทิศเดียวกับการกระจัด A = Fs เพิ่มแรงเป็นสองเท่าที่การกระจัดเดิม หรือเพิ่มการกระจัดเป็นสองเท่าที่แรงเดิม งานจะเพิ่มเป็นสองเท่า F วัดเป็น N, s เป็น m และ A เป็นจูล: 1 Дж = 1 Н·м ในที่นี้ s คือการกระจัดแนวตรงตามแรง หากการกระจัดเป็นศูนย์ ผลคูณก็เป็นศูนย์
อย่าข้ามเรื่องทิศทาง
ถ้าแรงคงที่มีทิศตรงข้ามการกระจัดพอดี A = −Fs เครื่องหมายบอกทิศทางการถ่ายโอนพลังงานที่ตรงข้ามกัน หากทำมุมทั่วไป ต้องคิดเฉพาะองค์ประกอบแรงตามการกระจัด จึงใช้เพียง Fs ไม่พอ วาดทิศก่อน เช่น เมื่อยกวัตถุ แรงโน้มถ่วงทำงานลบ เมื่อลดวัตถุลง แรงโน้มถ่วงทำงานบวก ชื่อแรงไม่ได้กำหนดเครื่องหมาย แต่การเคลื่อนที่จริงต่างหากที่กำหนด
งานเท่ากัน แต่อัตราต่างกัน
กว้านสองตัวยกของเหมือนกันขึ้นสูงเท่ากัน โดยมีอัตราเร็วต้นและปลายเท่ากัน งานที่เป็นประโยชน์จึงเท่ากัน แต่ตัวแรกยกเสร็จเร็วกว่า จึงถ่ายโอนพลังงานเท่ากันในเวลาน้อยกว่า กำลังใช้อธิบายความต่างนี้ คืออัตราการทำงาน กำลังมากกว่าไม่ได้หมายความว่าการยกครั้งนั้นทำงานมากกว่าเสมอไป อาจเป็นงานเท่าเดิมที่ทำเสร็จเร็วขึ้น
กำลังในหน่วยวัตต์
หารงานด้วยเวลาที่ใช้เพื่อหางานเฉลี่ยต่อวินาที: N = A/t นี่คือกำลังเฉลี่ยในช่วง t > 0 หน่วยคือวัตต์ โดย 1 Вт = 1 Дж/с ถ้าทำงานเท่าเดิมในเวลาครึ่งหนึ่ง กำลังเพิ่มเป็นสองเท่า การทำงานสองเท่าในเวลาเดิมก็ให้ผลเช่นกัน ในที่นี้ N แทนกำลัง ไม่ใช่แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก ความหมายสัญลักษณ์ต้องดูจากปริมาณและหน่วย
เปรียบเทียบหน่วย
งาน 600 J ตอบว่า ‘ถ่ายโอนพลังงานเท่าใด?’ กำลังคงที่ 600 W หมายถึงถ่ายโอน 600 J ทุกวินาที ส่วนกำลังเฉลี่ย 600 W บอกเช่นนั้นเฉพาะค่าเฉลี่ยในช่วงที่เลือก หากต้องการงานรวมที่กำลังคงที่ ต้องรู้เวลาด้วย: A = Nt อุปกรณ์กำลังสูงที่ทำงานสั้น ๆ จึงอาจถ่ายโอนพลังงานน้อยกว่าอุปกรณ์กำลังต่ำที่ทำงานนาน จูลกับวัตต์ตอบคนละคำถาม
งานของกว้าน
กว้านดึงของด้วยแรงคงที่ 300 N ตามการกระจัดแนวตรง 4 m ในเวลา 20 s จงหางานและกำลังเฉลี่ย
ลองดูตัวอย่าง · 1
แรงกับการกระจัดมีทิศเดียวกัน จึงได้ A = Fs = 300·4 = 1200 Дж
ลองดูตัวอย่าง · 2
หารงานด้วยเวลา: N = 1200/20 = 60 Вт
ลองดูตัวอย่าง · 3
ถ่ายโอนพลังงานเฉลี่ย 60 J ต่อวินาที จึงได้ 1200 J ในเวลา 20 s
เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า
งาน 1200 J; กำลังเฉลี่ย 60 W
ใจความสำคัญ · 1
งานเกี่ยวข้องกับแรงหนึ่งระหว่างเกิดการกระจัด ความเหนื่อยของคนไม่ได้วัดงานที่กระทำต่อของที่อยู่นิ่ง
ใจความสำคัญ · 2
A = Fs ใช้กับแรงคงที่ตามการกระจัด ถ้าทิศตรงข้ามงานเป็นลบ ถ้าตั้งฉากงานเป็นศูนย์
ใจความสำคัญ · 3
กำลัง N = A/t เปรียบเทียบอัตราการทำงาน หากต้องการพลังงานที่ถ่ายโอนต้องรู้เวลาด้วย
เราจะไปที่ไหนต่อไป?
เครื่องกลอย่างง่ายช่วยให้ทำงานด้วยแรงน้อยลง เราจะเรียนว่าเป็นไปได้อย่างไร
แนวคิดพื้นฐาน
งานเชิงกล
แรงทำงานเชิงกลเมื่อวัตถุมีการกระจัดและแรงมีองค์ประกอบตามแนวการกระจัดนั้น
สำหรับแรงคงที่ทิศเดียวกับการเคลื่อนที่ งานเท่ากับแรงคูณระยะทาง หากไม่มีการกระจัด งานเชิงกลเป็นศูนย์
กำลัง
ปริมาณทางฟิสิกส์ที่เท่ากับงานต่อหนึ่งหน่วยเวลา และบอกอัตราการทำงาน
เครื่องกลสองเครื่องอาจทำงานเท่ากัน แต่เครื่องที่มีกำลังมากกว่าทำเสร็จในเวลาน้อยกว่า
เงื่อนไขการเกิดงาน
งานเป็นบวกเมื่อแรงช่วยการเคลื่อนที่ และเป็นลบเมื่อแรงมีทิศต้านการกระจัด
ในการเคลื่อนที่แนวตรง ให้ตรวจการกระจัดก่อน แล้วเปรียบเทียบทิศของแรงกับการเคลื่อนที่
ปริมาณทางฟิสิกส์
งานเชิงกล
Aพลังงานที่ถ่ายโอนด้วยแรงเมื่อวัตถุมีการกระจัด
หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}
กำลัง
Nงานที่ทำต่อหน่วยเวลา
หน่วย: วัตต์ · \mathrm{Вт}
การกระจัดตามแนวแรง
sระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามทิศของแรงคงที่
หน่วย: เมตร · \mathrm{м}
เวลาที่ใช้ทำงาน
tระยะเวลาที่ใช้ทำงานเชิงกล
หน่วย: วินาที · \mathrm{с}
สูตรบทเรียน
งานของแรงคงที่
A = Fsเมื่อทิศตรงกัน แรงถ่ายโอนพลังงานเท่ากับแรงคูณการกระจัด
กำลัง
N = \frac{A}{t}กำลังเท่ากับงานที่ทำหารด้วยเวลาที่ใช้
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ