เนื้อหา

     วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่โดยมีอัตราเร็ว จะเรียกว่าวัตถุนั้นมี พลังงานจลน์ (kinetic energy : Ek ) 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 : Ep ) โดยพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุหาได้จากสมการ

     โดย h  =  ความสูงจากระดับอ้างอิงซึ่งถือว่ามีพลังงานศักย์เป็นศูนย์ และการทำงานโดยออกแรงทำให้วัตถุมีพลังงานศักย์เพิ่มขึ้นนั้น ไม่ขึ้นกับเส้นทางการเคลื่อนที่ แต่ขึ้นกับระดับความสูงเพียงอย่างเดียว

     ส่วนการดึงสปริงให้ยืดออกหรือหดจากตำแหน่งสมดุลจะทำให้เกิดพลังงานศักย์สะสมอยู่ในสปริงที่สามารถดึงหรือผลักวัตถุที่ติดกับสปริงให้เคลื่อนที่ไปได้ พลังงานศักย์ที่สะสมอยู่ในสปริงนี้ เรียกว่าพลังงานศักย์ยืดหยุ่น(elastic potential energy) 

 

     ขณะวัตถุตกจากที่สูงลงมา แต่ละขณะวัตถุมีทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์เรียกว่า พลังงานกลรวมของวัตถุ เมื่อมีแต่แรงโน้มถ่วงโดยไม่มีแรงเสียดทานหรือแรงอื่นมากระทำต่อวัตถุแล้ว พลังงานกลรวมของวัตถุ ณ ตำแหน่งใด ๆ จะมีค่าคงตัวเสมอ ซึ่งเป็น กฎการอนุรักษ์พลังงานกล ถ้าปล่อยวัตถุจากจุดหยุดนิ่งจากที่สูง วัตถุจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงแต่ไม่มีพลังงานจลน์ และขณะวัตถุกำลังตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง พลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุจะลดลงเท่ากับพลังงานจลน์ของวัตถุที่เพิ่มขึ้น  ในทางกลับกัน ถ้าโยนวัตถุขึ้นจากพื้นด้วยความเร็ว ขณะวัตถุเคลื่อนที่สูงขึ้น พลังงานงานจลน์ของวัตถุจะลดลงเท่ากับพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่เพิ่มขึ้น

     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


เอกสารอ้างอิง

http://www.people.vcu.edu/~rgowdy/mod/020/xmp4.htm