เนื้อหา

พลังงานจลน์และศักย์ ของ Rolling Ball
     Rolling Ball เป็นนิทรรศการที่แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงระหว่างพลังงานศักย์โน้มถ่วง (Gravitational Potential Energy) และพลังงานจลย์ (Kinetic Energy)

     พลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานที่อยู่ในวัตถุอันเนื่องมากจากวัตถุนั้นอยู่ในสนามโน้มถ่วง พลังงานศักย์ (U) มีค่าเท่ากับ “แรงโน้มถ่วง” ที่กระทำต่อวัตถุ (Fg) คูณด้วยความสูงของตำแหน่งของวัตถุ (h) ดังสมการ

     จากกฏของที่ 2 ของนิวตันทำให้เราทราบว่า “แรงโน้มถ่วง” ที่กระทำต่อวัตถุ (Fg) มีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างมวลของวัตถุ (m) และความเร่งเข้าสู่จุดศูนย์กลางโลก (g) หรือ

 

     ดังนั้นความสัมพันธ์ระหว่าง พลังงานศักย์โน้มถ่วง มวลของวัตถุ ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางโลก และความสูง มีค่าดังนี้

     ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางโลกมีค่าคงที่คือ 9.8 เมตร/วินาที2 ดังนั้นจากสมการนี้ทำให้เราทราบว่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงในวัตถุนั้น มีปริมาณขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุและความสูงของวัตถุ วัตถุสองชิ้นที่มีมวลเท่ากัน วัตถุที่อยู่สูงกว่าจะมีพลังงานศักย์มากกว่า หรือวัตถุสองชิ้นที่อยู่ที่ระดับความสูงเดียวกันวัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงานศักย์มากกว่านั่นเอง

     พลังงานจลย์เป็นพลังงานที่อยู่ในวัตถุขณะวัตถุมีการเคลื่อนที่ พลังงานจลน์ (K) จะมีมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวล (m) และความเร็วของวัตถุ (v) ตามความสัมพันธ์ดังนี้

 

     จากสมการนี้แสดงให้เราเห็นว่าวัตถุสองชิ้นที่มีมวลเท่ากัน วัตถุที่มีความเร็วมากกว่าจะมีพลังงานจลน์มากกว่า และวัตถุสองชิ้นที่มีความเร็วเท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงานจลน์มากกว่าเช่นกัน

     พลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์สามารถเปลี่ยนไปมาระหว่างกันได้ เมื่อเราพิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุที่กำลังตกอย่างอิสระในรูปที่ 1 ที่จุดเริ่มต้นวัตถุอยู่ที่ความสูง (h) แต่ไม่มีความเร็วเพราะยังไม่เคลื่อนที่ ดังนั้นที่จุดนี้วัตถุจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงสูงที่สุดเท่ากับ mgh และไม่มีพลังงานจลน์ เมื่อวัตถุเริ่มมีการเคลื่อนที่หรือเริ่มตกอย่างอิสระ พลังงานศักย์จะค่อย ๆ เปลี่ยนมาเป็นพลังงานจลน์ ที่จุดที่ 2 ซึ่งเป็นจุดกึ่งกลางของการเคลื่อนที่วัตถุจะมีพลังงานศักย์และพลังงานจลน์อย่างละครึ่ง และที่จุดที่ 3 พลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์จนหมด ที่จุดนี้วัตถุจะมีพลังงานจลน์มากที่สุดมีความเร็วมากที่สุดและไม่มีพลังงานศักย์ ผลรวมของพลังงานศักย์และพลังจลน์ตลอดการเคลื่อนที่ของวัตถุมีค่าคงที่ ซึ่งเราเรียกว่ากฏการอนุรักษ์พลังงาน (Conservative of Energy)


รูปที่ 1 แสดงการตกอย่างอิสระของวัตถุ

 

     การเคลื่อนที่ของลูกบอลกลมกลิ้งไปตามรางนั้นก็เป็นเรื่องของการเปลี่ยนแปลงระหว่างพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์เช่นกัน จากรูปที่ 3 จุดที่ 1 ลูกบอลมีพลังงานศักย์สูงสุดและไม่มีพลังงานจลน์ เมื่อกลิ้งไปตามรางพลังงานศักย์จะค่อย ๆ เปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ จุดที่ 2 ลูกบอลไม่มีพลังงานศักย์แล้ว แต่มีพลังงานจลน์มากที่สุด และความเร็วของลูกบอล ณ จุดนี้ ทำให้ลูกบอลสามารถเคลื่อนที่ขึ้นรางที่ลาดชันไปยังจุดที่ 3 ได้ การเคลื่อนที่จากจุดที่ 2 ไปจุดที่ 3 ก็คือการเปลี่ยนจากพลังงานจลน์กลับมาเป็นพลังงานศักย์อีกครั้งหนึ่ง แต่ไม่ได้เปลี่ยนทั้งหมดเนื่องจากจุดที่ 3 อยู่ต่ำกว่าจุดที่หนึ่ง ดังนั้นที่จุดที่ 3 ลูกบอลยังคงมีพลังงานจลน์เหลือค้างอยู่และสามารถกลิ้งเลยจุดที่ 3 ไปได้ พลังงานรวมของลูกบอลตลอดการเคลื่อนที่จะมีค่าคงที่เนื่องมาจากกฏการอนุรักษณ์พลังงาน อย่างไรก็ตามในโลกแห่งความเป็นจริงพลังงานของลูกบอลจะศูนย์เสียไปกับการกลิ้งของลูกบอล (rotational motion) และแรงเสียดทาน (friction) ด้วย


รูปที่ 3 แสดงการเคลื่อนที่ของลูกบอลไปตามราง

 

กิมบอล (gimbal) การเคลื่อนที่แบบอิสระ เหมือนกับการเคลื่อนที่ในห้วงอวกาศ
    กิมบอลเป็นเครื่องเล่นที่ทำให้ผู้เล่นสามารถหมุนได้อย่างอิสระในทั้ง 3 แกน (X, Y, Z) ในการฝึกนักบินอวกาศในอดีต องค์การนาซาใช้กิมบอลเป็นเครื่องฝึกนักบินอวกาศ เพื่อให้มีความคุ้นเคยกับการทำงานในสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงทิศทางอยู่ตลอดเวลา

ทีออส ดาวเทียมดวงแรกของประเทศไทย
     ดาวเทียมทีออส (THEOS - THailand Earth Observation Satellite) หรืออีกชื่อหนึ่งคือดาวเทียมไทยโชต เป็นดาวเทียมสำรวจทรัพยากรดวงแรกของประเทศไทย ถูกส่งเข้าสู่วงโคจรในวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2551 ดาวเทียมทีออส มีสถานีรับสัญญาที่ เขตลาดกระบัง กรุงเทพฯ และถูกควบคุมจากศูนย์ควบคุมที่ อ. ศรีราชา จ. ชลบุรี 


รูปที่ 4 แสดงองค์ประกอบของดาวเทียมทีออส

 

 

     ดาวเทียมทีออสมีน้ำหนักประมาณ 750 กิโลกรัม มีรูปทรงคล้ายกล่อง 6 เหลี่ยมสูงประมาณ 2.4 เมตร กว้างประมาณ 2 เมตร (เมื่อพับเซลล์แสงอาทิตย์) มีวงโคจรอยู่ที่ระดับความสูง 822 กิโลเมตร และมีวงโคจรสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ (sun synchronous orbit)

     องค์ประกอบหลักของดาวเทียมทีออสคือ กล้องถ่ายภาพ 2 ตัว (Panchromatic telescope, Multi-spectral camera) เพื่อใช้ถ่ายภาพขาวดำและถ่ายภาพสี แผงเซลล์สุริยะ (Solar array) เพื่อเป็นแหล่งพลังงาน เสาอากาศ (Antenna) แบบ S และ X band เพื่อใช้ส่งและรับสัญญาณจากภาคพื้นดิน ไจโรสโคป (Gyroscope) เพื่อควบคุมทิศทางดาวเทียม อุปกรณ์ตามดาว (Star tracker) เพื่อใช้กำหนดตำแหน่งของดาวเทียม และอุปกรณ์แผ่รังสีความร้อน (Thermal radiation) เพื่อลดความร้อนที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์ต่าง ๆ ในดาวเทียมที่อาจจะไปรบกวนการรับข้อมูลของดาวเทียมได้

     ในการสำรวจทรัพยากรธรรมชาตินั้นจะใช้กล้องถ่ายภาพขาวดำ (Panchromatic telescope) และกล้องถ่ายภาพสี (Multi-spectral camera) กล้องถ่ายภาพขาวดำจะให้ความละเอียดสูงกว่าที่ 2 เมตร ใช้ในการถ่ายภาพที่ต้องการความละเอียดสูงเช่นการถ่ายภาพเพื่อใช้เป็นข้อมูลในการทำแผนที่ ส่วนกล้องภ่ายภาพสีนั้นให้ความละเอียดที่ต่ำกว่าอยู่ที่ 15 เมตร  ใช้ในการถ่ายภาพที่ไม่ต้องการความละเอียดมากนัก แต่ต้องการรายละเอียดของสีเพื่อจำแนกลักษณะของทรัพยากรบนพื้นดิน


รูปที่ 5 ภาพถ่ายจากกล้องขาว-ดำ มีความละเอียดสูง ทำให้เห็นถนนในเมืองได้ชัดเจน
ภาพจาก http://theos.gistda.or.th/

 

     ข้อมูลที่ได้จากดาวเทียมทีออส สามารถนำไปเป็นข้อมูลสำหรับการวางผังเมือง การสำรวจการเติบโตหรือถดถอยของการเกษตร การสำรวจปริมาณของทรัพยากรธรรมชาติ การประเมินภัยพิบัติทางธรรมชาติเช่นน้ำท่วม ฯลฯ ดาวเทียมทีออส ไม่ได้เพียงแค่สำรวจเฉพาะพื้นที่ในประเทศไทยเท่านั้น แต่ยังสำรวจทรัพยากรธรรมชาติได้ทั่วโลกอีกด้วย

 

รูปที่ 6 ภาพถ่ายจากกล้องถ่ายภาพสี มีความความละเอียดต่ำกว่าแต่มีสีให้จำแนกลักษณะของทรัพยากรได้
ภาพจาก http://theos.gistda.or.th/



วีดิทัศน์เรื่องพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์