งานเชิงกลและกำลัง

การถือกระเป๋าหนักทำให้เหนื่อย ส่วนการยกขึ้นชั้นเป็นอีกการกระทำหนึ่ง เราจะแยกความพยายามของคนออกจากผลเชิงกลที่เกิดกับกระเป๋าได้อย่างไร? ลองดูว่ามีการกระจัดหรือไม่ และแรงมีทิศใด

เปรียบเทียบการถือกระเป๋าให้นิ่งกับการยก มือออกแรงทั้งสองกรณี แต่กระเป๋าเปลี่ยนตำแหน่งเฉพาะเมื่อยก งานเชิงกล A อธิบายพลังงานที่ถ่ายโอนด้วยแรงเมื่อเกิดการกระจัด เราจะเรียนเรื่องพลังงานเพิ่มเติมเร็ว ๆ นี้ ตอนนี้ควรจำว่างานเป็นของแรงหนึ่งที่กระทำต่อวัตถุหนึ่ง ถ้ากระเป๋าไม่เคลื่อนที่ งานของแรงมือที่กระทำต่อกระเป๋าเป็นศูนย์ แม้กระบวนการภายในร่างกายยังใช้พลังงานอยู่

ลังเคลื่อนไปขวา แรงดึงไปขวาถ่ายโอนพลังงานให้ลังและทำงานบวก ส่วนแรงเสียดทานไปซ้ายทำงานลบ แรงโน้มถ่วงอยู่ในแนวดิ่ง จึงทำงานเป็นศูนย์เมื่อการกระจัดอยู่ในแนวระดับล้วน ๆ มันไม่ได้ช่วยหรือต้านการกระจัดนี้ ดังนั้นเพียงมีแรงไม่ได้รับประกันว่างานจะไม่เป็นศูนย์ ต้องตรวจทั้งการกระจัดและทิศแรง

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

ถ้าแรงคงที่มีทิศตรงข้ามการกระจัดพอดี A = −Fs เครื่องหมายบอกทิศทางการถ่ายโอนพลังงานที่ตรงข้ามกัน หากทำมุมทั่วไป ต้องคิดเฉพาะองค์ประกอบแรงตามการกระจัด จึงใช้เพียง Fs ไม่พอ วาดทิศก่อน เช่น เมื่อยกวัตถุ แรงโน้มถ่วงทำงานลบ เมื่อลดวัตถุลง แรงโน้มถ่วงทำงานบวก ชื่อแรงไม่ได้กำหนดเครื่องหมาย แต่การเคลื่อนที่จริงต่างหากที่กำหนด

กว้านสองตัวยกของเหมือนกันขึ้นสูงเท่ากัน โดยมีอัตราเร็วต้นและปลายเท่ากัน งานที่เป็นประโยชน์จึงเท่ากัน แต่ตัวแรกยกเสร็จเร็วกว่า จึงถ่ายโอนพลังงานเท่ากันในเวลาน้อยกว่า กำลังใช้อธิบายความต่างนี้ คืออัตราการทำงาน กำลังมากกว่าไม่ได้หมายความว่าการยกครั้งนั้นทำงานมากกว่าเสมอไป อาจเป็นงานเท่าเดิมที่ทำเสร็จเร็วขึ้น

หารงานด้วยเวลาที่ใช้เพื่อหางานเฉลี่ยต่อวินาที: N = A/t นี่คือกำลังเฉลี่ยในช่วง t > 0 หน่วยคือวัตต์ โดย 1 Вт = 1 Дж/с ถ้าทำงานเท่าเดิมในเวลาครึ่งหนึ่ง กำลังเพิ่มเป็นสองเท่า การทำงานสองเท่าในเวลาเดิมก็ให้ผลเช่นกัน ในที่นี้ N แทนกำลัง ไม่ใช่แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก ความหมายสัญลักษณ์ต้องดูจากปริมาณและหน่วย

งาน 600 J ตอบว่า ‘ถ่ายโอนพลังงานเท่าใด?’ กำลังคงที่ 600 W หมายถึงถ่ายโอน 600 J ทุกวินาที ส่วนกำลังเฉลี่ย 600 W บอกเช่นนั้นเฉพาะค่าเฉลี่ยในช่วงที่เลือก หากต้องการงานรวมที่กำลังคงที่ ต้องรู้เวลาด้วย: A = Nt อุปกรณ์กำลังสูงที่ทำงานสั้น ๆ จึงอาจถ่ายโอนพลังงานน้อยกว่าอุปกรณ์กำลังต่ำที่ทำงานนาน จูลกับวัตต์ตอบคนละคำถาม

กว้านดึงของด้วยแรงคงที่ 300 N ตามการกระจัดแนวตรง 4 m ในเวลา 20 s จงหางานและกำลังเฉลี่ย

แรงกับการกระจัดมีทิศเดียวกัน จึงได้ A = Fs = 300·4 = 1200 Дж

หารงานด้วยเวลา: N = 1200/20 = 60 Вт

ถ่ายโอนพลังงานเฉลี่ย 60 J ต่อวินาที จึงได้ 1200 J ในเวลา 20 s

งาน 1200 J; กำลังเฉลี่ย 60 W

งานเกี่ยวข้องกับแรงหนึ่งระหว่างเกิดการกระจัด ความเหนื่อยของคนไม่ได้วัดงานที่กระทำต่อของที่อยู่นิ่ง

A = Fs ใช้กับแรงคงที่ตามการกระจัด ถ้าทิศตรงข้ามงานเป็นลบ ถ้าตั้งฉากงานเป็นศูนย์

กำลัง N = A/t เปรียบเทียบอัตราการทำงาน หากต้องการพลังงานที่ถ่ายโอนต้องรู้เวลาด้วย

เครื่องกลอย่างง่ายช่วยให้ทำงานด้วยแรงน้อยลง เราจะเรียนว่าเป็นไปได้อย่างไร