กฎการอนุรักษ์พลังงาน

วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่โดยมีอัตราเร็ว จะเรียกว่าวัตถุนั้นมี พลังงานจลน์ (kinetic energy : E_k ) พลังงานจลน์ในวัตถุจะมากน้อยเท่าไรขึ้นกับมวล (m )และอัตราเร็ว (v ) ของวัตถุ โดยมีความสัมพันธ์ดังนี้

พลังงานจลน์ของวัตถุจะเปลี่ยนไปถ้ามีงานที่เกิดจากแรงลัพธ์ซึ่งไม่เป็นศูนย์กระทำต่อวัตถุ

คำถาม

- สืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับ งานกับการเปลี่ยนพลังงานจลน์ของวัตถุ

พลังงานในวัตถุที่ขึ้นกับตำแหน่งหรือสภาวะของวัตถุ เช่น พลังงานของวัตถุเมื่ออยู่ที่สูง พลังงานในสปริงที่ถูกยืดออกหรือหดสั้นกว่าปกติเหล่านี้ เรียกว่า พลังงานศักย์ (potential energy) วัตถุที่มีพลังงานศักย์ พร้อมที่จะทำงานต่อไปได้

ถ้าเราออกแรงเท่ากับน้ำหนักวัตถุ (mg) ยกวัตถุมวล m ขึ้นไปสูงจากระดับเดิม(ซึ่งอาจถือว่าเป็นระดับอ้างอิง) เป็นระยะ h ถ้าปล่อยมือ วัตถุจะตกลงมาด้วยแรงดึงดูดของโลก (mg) วัตถุขณะอยู่ที่สูงจากระดับอ้างอิงนี้จะมีพลังงานศักย์ที่เรียกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy : E_p ) โดยพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุหาได้จากสมการ

โดย h = ความสูงจากระดับอ้างอิงซึ่งถือว่ามีพลังงานศักย์เป็นศูนย์ และการทำงานโดยออกแรงทำให้วัตถุมีพลังงานศักย์เพิ่มขึ้นนั้น ไม่ขึ้นกับเส้นทางการเคลื่อนที่ แต่ขึ้นกับระดับความสูงเพียงอย่างเดียว

ในสถานการณ์จริง ส่วนมากผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์มีค่าไม่คงตัว เพราะมีแรงเสียดทานไปต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุ งานของแรงเสียดทานจะทำให้พลังงานกลของระบบส่วนหนึ่งเปลี่ยนไปเป็นพลังงานอื่นเช่นความร้อนและเสียง แต่เมื่อรวมพลังงานส่วนนี้เข้ากับพลังงานกลแล้ว พลังงานรวมจะมีค่าคงตัว ซึ่งเป็นไปตาม กฎการอนุรักษ์พลังงาน(law of conservation of energy) ที่กล่าวว่า พลังงานรวมของระบบจะไม่สูญหาย แต่เปลี่ยนจากพลังงานหนึ่งไปเป็นอีกพลังงานหนึ่ง

เครื่องเล่นในสยามพาร์คซิตี้ที่มีการเปลี่ยนระดับความสูงทุกชนิด ใช้การเปลี่ยนพลังงานระหว่างพลังงานศักย์โน้มถ่วงกับพลังงานจลน์ โดยอาศัยกฎการอนุรักษ์พลังงานทั้งสิ้น เครื่องเล่นที่เห็นได้ชัดเจนว่ามีการเปลี่ยนพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานจลน์ได้แก่ เครื่องเล่นที่มีชื่อว่า Speed Slider และ Super Spiral

การเล่น Speed Slider และ Super Spiral ผู้เล่นต้องทำงานโดยการขึ้นบันไดไปจนถึงจุดสูงสุดของเครื่องเล่น ทำให้ผู้เล่นมีพลังงานศักย์โน้มถ่วง จากนั้นจึงจะปล่อยให้ตัวเองไถลลงมาตามราง ลงสู่ที่ต่ำ ทุกขณะพลังงานศักย์โน้มถ่วงจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์มีผลให้ผู้เล่นเคลื่อนที่ลงด้วยความเร็วมากขึ้น ๆ และเพื่อช่วยลดแรงเสียดทาน รางของเครื่องเล่นทั้งสองชนิดจึงมีน้ำหล่อเลี้ยงเพื่อลดแรงเสียดทานระหว่างผู้เล่นกับพื้นราง

รางของเครื่องเล่น Speed Slider บางช่วงจะอยู่ในแนวราบ เพื่อชะลอให้พลังงานศักย์โน้มถ่วงเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ไม่เร็วเกินไป ผู้เล่นจึงไถลลงมาด้วยความเร็วที่เหมาะสมไม่สูงจนเกินไป

วิดีทัศน์ เรื่อง Speed Slider

คำถาม

- ถ้ารางของ Speed Slider เอียงลงมาตรง ๆ โดยไม่มีช่วงที่อยู่ในแนวระดับ นักเรียนคิดว่าผล

จะเป็นอย่างไร

- ถ้าไม่มีน้ำช่วยหล่อเลี้ยงพื้นราง นักเรียนคิดว่าผลจะเป็นอย่างไร

.. ส่วนเครื่องเล่น Super Spiral นั้น การเคลื่อนที่ของผู้เล่นจะเลี้ยวเป็นทางโค้งไปตามรางที่มีน้ำหล่อเลี้ยงเพื่อลดแรงเสียดทาน ในขณะเลี้ยวโค้งผู้เล่นต้องเบียดตัวเข้ากับขอบรางด้านนอกโค้ง เพื่อให้เกิดแรงที่ขอบรางดันผู้เล่นในทิศเข้าหาศูนย์กลาง ขอบรางด้านนอกโค้งจึงต้องทำให้สูงกว่าด้านในโค้งเพื่อป้องกันไม่ให้ผู้เล่นไถลออกนอกโค้ง

วิดีทัศน์ เรื่อง Super Spiral

คำถาม

- ถ้าขอบรางบริเวณที่มีการเลี้ยวโค้ง มีความสูงเพียงเล็กน้อย ผลจะเป็นอย่างไร เพราะเหตุใด

อ้างอิงจาก http://fieldtrip.ipst.ac.th/intro_sub_content.php?content_id=18&content_folder_id=191