พลังงานจลน์คือพลังงานที่วัตถุครอบครองเมื่อมันเคลื่อนที่ สูตรพลังงานจลน์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพลังงานศักย์และพลังงานกล
ในการสนทนานี้ผมจะให้คำอธิบายเกี่ยวกับพลังงานจลน์พร้อมบริบทและตัวอย่างของปัญหาเพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น ...
…เนื่องจากการอภิปรายเกี่ยวกับพลังงานจลน์มักปรากฏในเนื้อหาวิชาฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนต้นและตอนปลายจึงมีการออกคำถามของ UN (National Examination) บ่อยมาก
ความหมายของพลังงาน
พลังงานเป็นตัวชี้วัดความสามารถในการทำงาน
ดังนั้นในทุกกิจกรรมไม่ว่าจะเป็นการผลักโต๊ะยกของวิ่งคุณต้องใช้พลังงาน
พลังงานมีหลายประเภทและที่สำคัญคือ
- พลังงานจลน์
- พลังงานที่มีศักยภาพ
การรวมกันของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์เรียกอีกอย่างว่าพลังงานกล
พลังงานจลน์
พลังงานจลน์คือพลังงานที่มีวัตถุเคลื่อนที่
คำว่า kinetic มาจากภาษากรีกคำว่า kinetikos ซึ่งหมายถึงการเคลื่อนที่ ดังนั้นจากสิ่งนั้นแน่นอนว่าวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ล้วนมีพลังงานจลน์
ค่าของพลังงานจลน์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับมวลและความเร็วของวัตถุ ปริมาณของพลังงานจลน์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของมวลและเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความเร็วของวัตถุ
วัตถุที่มีมวลและความเร็วมากจะต้องมีพลังงานจลน์มากเมื่อเคลื่อนที่ ในทางกลับกันวัตถุที่มวลและความเร็วมีขนาดเล็กพลังงานจลน์ก็น้อยเช่นกัน
ตัวอย่างของพลังงานจลน์ ได้แก่ รถบรรทุกที่เคลื่อนที่เมื่อคุณวิ่งและการเคลื่อนไหวอื่น ๆ
อีกตัวอย่างหนึ่งที่คุณสามารถสังเกตได้เมื่อคุณขว้างก้อนหิน หินที่คุณขว้างต้องมีความเร็วดังนั้นจึงมีพลังงานจลน์ คุณจะเห็นพลังงานจลน์ของหินก้อนนี้เมื่อกระทบกับเป้าหมายที่อยู่ข้างหน้า
พลังงานที่มีศักยภาพ
พลังงานศักย์คือพลังงานที่วัตถุครอบครองเนื่องจากตำแหน่งหรือตำแหน่งของมัน
ตรงกันข้ามกับพลังงานจลน์ที่ค่อนข้างชัดเจนกล่าวคือเมื่อวัตถุเคลื่อนที่พลังงานศักย์ไม่มีรูปแบบที่แน่นอน
เนื่องจากพลังงานศักย์เป็นพลังงานที่ยังคงมีศักยภาพหรือเก็บไว้ในธรรมชาติ และจะออกมาก็ต่อเมื่อเขาเปลี่ยนตำแหน่ง.
ตัวอย่างของพลังงานศักย์ที่คุณสามารถหาได้ง่ายคือพลังงานศักย์ในฤดูใบไม้ผลิ
เมื่อคุณบีบสปริงมันจะมีพลังงานศักย์เก็บไว้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมเมื่อคุณปล่อยมือจากการยึดสปริงมันสามารถออกแรงผลัก
สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานที่เก็บไว้ในรูปของพลังงานศักย์ได้ถูกปลดปล่อยออกมา
พลังงานกล
พลังงานกลคือจำนวนพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ทั้งหมด
พลังงานกลมีคุณสมบัติเฉพาะบางประการกล่าวคือภายใต้อิทธิพลของแรงอนุรักษ์นิยมปริมาณของพลังงานกลจะเท่ากันเสมอแม้ว่าค่าของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์จะแตกต่างกัน
พูดยกตัวอย่างมะม่วงที่สุกบนต้นไม้
เมื่ออยู่บนต้นไม้มะม่วงจะมีพลังงานศักย์เนื่องจากตำแหน่งของมันและไม่มีพลังงานจลน์เนื่องจากอยู่นิ่ง
แต่เมื่อมะม่วงสุกและร่วงหล่นพลังงานศักย์จะลดลงเมื่อตำแหน่งเปลี่ยนไปในขณะที่พลังงานจลน์เพิ่มขึ้นเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
คุณยังสามารถเข้าใจสิ่งเดียวกันได้โดยดูตัวอย่างกรณีบนรถไฟเหาะ
นอกจากนี้ในการสนทนานี้ฉันจะมุ่งเน้นไปที่หัวข้อของพลังงานจลน์
อ่านเพิ่มเติม: เชื้อเพลิงฟอสซิลในโลกจะหมดลงหรือไม่? ชัดเจนว่าไม่ประเภทและสูตรของพลังงานจลน์
พลังงานจลน์มีอยู่หลายประเภทตามการเคลื่อนที่และแต่ละชนิดมีสูตรพลังงานจลน์ของตัวเอง
ต่อไปนี้เป็นประเภท
สูตรพลังงานจลน์ (พลังงานจลน์แปล)
นี่เป็นสูตรพื้นฐานที่สุดสำหรับพลังงานจลน์ พลังงานจลน์การแปลหรือที่เรียกว่าพลังงานจลน์คือพลังงานจลน์เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ในการแปล
E k = ½ xmx v2
ข้อมูล :
m = มวลของร่างกายแข็ง (กก.)
v = ความเร็ว (m / s)
E k = พลังงานจลน์ (จูล)
สูตรพลังงานจลน์แบบหมุน
ในความเป็นจริงไม่ใช่ทุกวัตถุที่เคลื่อนที่ในการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้น นอกจากนี้ยังมีวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมหรือแบบหมุน
สูตรพลังงานจลน์สำหรับการเคลื่อนที่ประเภทนี้เรียกว่าสูตรพลังงานจลน์ของการหมุนและค่าของมันจะแตกต่างจากพลังงานจลน์ธรรมดา
พารามิเตอร์ในพลังงานจลน์ของการหมุนใช้โมเมนต์ความเฉื่อยและความเร็วเชิงมุมซึ่งเขียนไว้ในสูตร:
E r = ½ x ฉัน x ω2
ข้อมูล :
ฉัน = โมเมนต์ความเฉื่อย
ω = ความเร็วเชิงมุม
ดังนั้นในการคำนวณพลังงานจลน์ของการหมุนคุณต้องทราบโมเมนต์ความเฉื่อยและความเร็วเชิงมุมของวัตถุก่อน
สูตรพลังงานจลน์แบบสัมพัทธ์
พลังงานจลน์แบบสัมพัทธ์คือพลังงานจลน์เมื่อวัตถุเคลื่อนที่เร็วมาก
เนื่องจากมันเร็วมากวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความสัมพันธ์จึงมีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง
ในทางปฏิบัติแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่วัตถุขนาดใหญ่จะมาถึงความเร็วนี้ ดังนั้นโดยทั่วไปความเร็วที่ใหญ่มากนี้จึงเกิดขึ้นได้จากอนุภาคที่ประกอบเป็นอะตอม
สูตรสำหรับพลังงานจลน์เชิงสัมพัทธภาพแตกต่างจากพลังงานจลน์ธรรมดาเนื่องจากการเคลื่อนที่ของมันไม่เข้ากันได้กับกลศาสตร์นิวตันคลาสสิกอีกต่อไป ดังนั้นแนวทางจึงดำเนินการโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์และสามารถเขียนสูตรได้ดังนี้
E k = (γ-1) มค 2
โดยที่γคือค่าคงที่สัมพัทธภาพ c คือความเร็วของแสงและ m คือมวลของวัตถุ
ความสัมพันธ์ของพลังงานกับความพยายาม
งานหรืองานคือปริมาณพลังงานที่กระทำโดยแรงกับวัตถุหรือวัตถุที่มีการเคลื่อนที่
งานหรืองานถูกกำหนดให้เป็นผลคูณของระยะทางที่เดินทางโดยแรงในทิศทางของการกระจัด
แสดงในรูปแบบ
W = Fs
โดยที่ W = Work (Joule), F = Force (N) และ s = Distance (m)
ดูภาพต่อไปนี้เพื่อให้คุณเข้าใจแนวคิดของธุรกิจได้ดีขึ้น
มูลค่าของงานอาจเป็นบวกหรือลบขึ้นอยู่กับทิศทางของแรงที่ถูกเคลื่อนย้าย
หากแรงที่กระทำต่อวัตถุอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับการกระจัดของมันงานที่ออกแรงนั้นจะเป็นลบ
ถ้าแรงที่กระทำอยู่ในทิศทางเดียวกับการกระจัดแสดงว่าวัตถุกำลังทำงานในเชิงบวก
หากแรงที่ใช้ก่อตัวเป็นมุมค่างานจะคำนวณจากแรงในทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุเท่านั้น
งานเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับพลังงานจลน์
มูลค่าของงานเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์
สิ่งนี้แสดงเป็น:
W = ΔE k = 1/2 ม. (v 2 2 -v 1 2)
โดยที่ W = งาน = การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ m = มวลของวัตถุ v 2 2 = ความเร็วสุดท้ายและ v 1 2 = ความเร็วเริ่มต้น
ตัวอย่างการประยุกต์ใช้แนวคิดเรื่องพลังงานในชีวิตประจำวัน
ตัวอย่างการใช้พลังงานศักย์ ได้แก่
- หลักการทำงานของหนังสติ๊ก
ในหนังสติ๊กมียางหรือสปริงที่ทำหน้าที่เป็นเครื่องยิงหินหรือกระสุนของเล่น ยางหรือสปริงที่ดึงและยึดมีพลังงานศักย์ ถ้ายางหรือสปริงคลายออกพลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์
- หลักการทำงานของพลังน้ำ
หลักการที่ใช้เกือบจะเหมือนกันกล่าวคือโดยการเพิ่มศักยภาพความโน้มถ่วงของน้ำที่เก็บรวบรวม
ตัวอย่างของการใช้พลังงานจลน์ ได้แก่
- มะพร้าวที่กำลังเคลื่อนที่ได้ร่วงหล่นจากต้น
ในกรณีนี้มะพร้าวมีการเคลื่อนที่หมายความว่ามีพลังงานจลน์ ผลกระทบของพลังงานนี้ยังสามารถเห็นได้เมื่อมะพร้าวถึงกระหน่ำบนพื้นดิน
- เตะบอล
ถ้าคุณชอบเล่นฟุตบอลคุณก็ต้องเตะบอลให้มากเช่นกัน
การเตะบอลเป็นตัวอย่างของการประยุกต์ใช้ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์กับงาน คุณเตะบอลด้วยเท้าซึ่งหมายความว่าคุณกำลังเตะบอล จากนั้นลูกบอลจะแปลงความพยายามนี้เป็นพลังงานจลน์เพื่อให้ลูกบอลเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว
อ่านเพิ่มเติม: Caci Maki Netizen Power Plant (PLTCMN) เป็นความคิดที่แย่มากตัวอย่างปัญหาพลังงานจลน์
ตัวอย่างปัญหาพลังงานจลน์ 1
รถที่มีมวล 500 กก. กำลังเดินทางด้วยความเร็ว 25 m / s คำนวณพลังงานจลน์ของรถด้วยความเร็วนั้น! จะเกิดอะไรขึ้นถ้ารถเบรกกะทันหัน?
เป็นที่รู้จัก:
มวลรถ (ม.) = 500 กก
ความเร็วรถ (v) = 25 m / s
ถามว่า:
พลังงานจลน์และเหตุการณ์หากรถเบรกกะทันหัน
ตอบ:
พลังงานจลน์ของรถยนต์ซีดานสามารถคำนวณได้ดังนี้:
เอก = 1/2. ม. v2
เอก = 1/2. 500. (25) 2
เอก = 156,250 จูล
เมื่อรถเบรกรถจะหยุด พลังงานจลน์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานเสียงที่เกิดจากแรงเสียดทานระหว่างเบรกกับเพลาและยางบนท้องถนน
ตัวอย่างปัญหาพลังงานจลน์ 2
รถจี๊ปมีพลังงานจลน์ 560,000 จูล หากรถมีมวล 800 กก. ความเร็วของรถจี๊ปคือ ...
เป็นที่รู้จัก:
พลังงานจลน์ (Ek) = 560,000 Joule
มวลรถ (ม.) = 800 กก
ถามว่า:
ความเร็วรถ (v)?
ตอบ:
เอก = 1/2. ม. v2
v = √ 2 x เอก / ม
v = √ 2 x 560,000 / 800
v = 37.42 ม. / วินาที
ดังนั้นความเร็วของรถจี๊ปคือ 37.42 เมตร / วินาที
ตัวอย่างปัญหาที่ 3 พลังงานจลน์และการทำงาน
บล็อกที่มีมวล 5 กก. ไถลไปบนพื้นผิวด้วยความเร็ว 2.5 ม. / วินาที ในเวลาต่อมาบล็อกดังกล่าวเดินทางด้วยความเร็ว 3.5 ม. / วินาที งานทั้งหมดที่ทำในบล็อกในช่วงเวลานี้คืออะไร?
เป็นที่รู้จัก:
มวลวัตถุ = 5 กก
ความเร็วของวัตถุดั้งเดิม (V1) = 2.5 m / s
ความเร็วของวัตถุสุดท้าย (V2) = 3.5 m / s
ถามว่า:
งานทั้งหมดที่ทำกับวัตถุ?
ตอบ:
W = ΔE k
W = 1/2 ม. (v 2 2-v 1 2)
W = 1/2 (5) ((3,5) 2- (2,5) 2)
W = 15 จูล
ดังนั้นงานทั้งหมดที่ใช้กับวัตถุคือ 15 จูล
ตัวอย่างโจทย์ 4 พลังงานกล
แอปเปิ้ลที่มีมวล 300 กรัมตกลงมาจากโพโฮที่ความสูง 10 เมตร ถ้าขนาดของแรงโน้มถ่วง (g) = 10 m / s2 ให้คำนวณพลังงานกลในแอปเปิ้ล!
เป็นที่รู้จัก:
- มวลวัตถุ: 300 กรัม (0.3 กก.)
- แรงโน้มถ่วง g = 10 m / s2
- ความสูง h = 10 ม
ถามว่า:
พลังงานกล (Em) แอปเปิ้ล?
ตอบ:
หากวัตถุตกลงและไม่ทราบความเร็วพลังงานจลน์ (Ek) จะถือว่าเป็นศูนย์ (Ek = 0)
Em = Ep + เอก
Em = Ep + 0
Em = Ep
Em = mgh
Em = 0.3 กก. 10 .10
Em = 30 จูล
สรุป
พลังงานกลที่ครอบครองโดยแอปเปิ้ลที่ร่วงหล่นคือ 30 จูล
ตัวอย่างปัญหาที่ 5 พลังงานกล
หนังสือน้ำหนัก 1 กก. ตกจากอาคาร เมื่อตกถึงพื้นความเร็วของหนังสือคือ 20 m / s ความสูงของอาคารที่หนังสือตกลงมาคืออะไรถ้าค่า g = 10 m / s2?
เป็นที่รู้จัก
- มวล m = 1 กก
- ความเร็ว v = 20 m / s
- แรงโน้มถ่วง g = 10 m / s2
ถาม
ความสูงของอาคาร (h)
ตอบ
Em1 = Em2
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
m1.g.h1 + 1/2 ม. 1.v12 = m1.g.h2 + 1/2 ม. 1.v22
Ep = สูงสุด
Ek1 = 0 (เพราะหนังสือยังไม่ย้าย
Ep2 = 0 (เนื่องจากหนังสือวางบนพื้นแล้วและไม่มีความสูง)
Ek2 = สูงสุด
m1.g.h1 + 0 = 0 + 1/2 m1.v 2 2
1 x 10 xh = 1/2 x 1 x (20) 2
10 xh = 200
h = 200/10
h = 20 เมตร
สรุป
ดังนั้นความสูงของอาคารที่หนังสือตกลงมาคือสูง 20 เมตร
ตัวอย่างโจทย์ที่ 6 หาความเร็วถ้าทราบพลังงานจลน์
ความเร็วของวัตถุที่มีมวล 30 กก. ด้วยพลังงานจลน์ 500 J เป็นเท่าใด?
EK = 1/2 x mv2
500 = 1/2 x 30 x v2
500 = 1/2 x 30 x v2
v2 = 33,3
v = 5.77 ม. / วินาที
ตัวอย่างโจทย์ 7 หามวลถ้าทราบพลังงานจลน์
มวลของวัตถุที่มีพลังงานจลน์ 100 J และความเร็ว 5 m / s คืออะไร?
EK = 0.5 x mv2
100 J = 0.5 xmx 52
m = 8กก
ดังนั้นการอภิปรายเกี่ยวกับสูตรพลังงานจลน์ในครั้งนี้ หวังว่าการสนทนานี้จะเป็นประโยชน์และคุณสามารถเข้าใจได้
คุณยังสามารถอ่านบทสรุปต่างๆของสื่อการเรียนอื่น ๆ ได้ที่ Saintif
ข้อมูลอ้างอิง
- พลังงานจลน์คืออะไร - Khan Academy
- พลังงานจลน์ - ห้องเรียนฟิสิกส์
- Kinetic ศักยภาพพลังงานกล | สูตรคำอธิบายตัวอย่างคำถาม - TheGorbalsla.com
- ความพยายามและพลังงาน - Study Studio