พลังงาน

          พลังงาน (energy) เป็นปริมาณที่บ่งบอกถึงความสามารถในการทำงานของวัตถุ  พลังงานของวัตถุจึงวัดได้จากความสามารถในการทำงานของวัตถุนั้น กล่าวคือ วัตถุใดมีพลังงานสะสมอยู่มากจะสามารถทำให้เกิดงานได้มากกว่าวัตถุที่มีพลังงานสะสมอยู่น้อย พลังงานเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยในระบบ SI คือจูล (J) เช่นเดียวกับงาน

          การเคลื่อนที่ของรถยนต์เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในกระบอกสูบเกิดเป็นพลังงานความร้อน ซึ่งทำให้เกิดแรงอัดดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ไปมาภายในกระบอกสูบ งานที่เกิดขึ้นจากลูกสูบจะถ่ายทอดไปยังเพลาทำให้เพลาหมุน จากนั้นงานที่เกิดจากการหมุนของเพลาจะถ่ายทอดไปยังล้อทำให้ล้อหมุน รถยนต์จึงเคลื่อนที่ได้ จากตัวอย่างนี้ จะเห็นได้ว่า พลังงานและงานจะมีความใกล้ชิดกันมากจนอาจกล่าวได้ว่าเป็นปริมาณเดียวกัน

การทำงานทั้ง4จังหวะที่ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่

ภาพจาก www.chobrod.com

          พลังงานเป็นปริมาณที่ไม่สามารถสร้างขึ้นมาใหม่ได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรูปหนึ่งได้ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ที่ถูกนำมาเปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า หรือพลังงานเคมีที่ได้จากการย่อยสลายสารอาหารถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกลเพื่อใช้ในการเคลื่อนที่ของร่างกาย

แผงเซลล์สุริยะ (solar cell) เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า

ภาพจาก shutterstock.com

          สำหรับพลังงานที่จะศึกษาในระดับชั้นนี้ เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับแรงและการเคลื่อนที่ของวัตถุ ได้แก่ พลังงานกล (mechanism energy) โดยสิ่งมีชีวิตอาศัยพลังงานนี้ในการทำงานซึ่งจะต้องมีการเคลื่อนไหว เช่น การเดิน การขยับแขนขา การหยิบวัตถุ

ประเภทของพลังงานกล

          พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุ แบ่งออกเป็น 2 ประเภทได้แก่

1. พลังงานจลน์ (kinetic energy)

        พลังงานจลน์ เป็นพลังงานที่เกิดขึ้นขณะวัตถุกำลังเคลื่อนที่ เนื่องจากแรงที่มากระทำต่อวัตถุมีค่าเปลี่ยนแปลงตามอัตราเร็วของวัตถุ วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่ำ ยกตัวอย่างเช่น ลูกเบสบอลที่ถูกยิงออกจากเครื่องยิงกับลูกเบสบอลที่ถูกขว้างออกไปด้วยแรงมนุษย์ ลูกเบสบอลที่ถูกยิงออกจากเครื่องจะมีอัตราเร็วมากกว่าจึงมีพลังงานจลน์สะสมอยู่มากกว่า ส่วนในกรณีที่วัตถุเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุที่มีมวลน้อยกว่า

          ในชีวิตประจำวันการใช้ประโยชน์จากพลังงานจลน์นอกจากการผลิตพลังงานไฟฟ้าแล้ว ยังสามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานจลน์ในด้านอื่นๆ ไม่ว่าจะเป็นพลังงานจลน์จากการตกของลูกตุ้มเหล็กที่ติดตั้งอยู่กับปั้นจั่นจะช่วยในการตอกเสาเข็ม ซึ่งเป็นฐานรากของอาคารต่างๆ รวมทั้งการคมนาคมขนส่งต่างๆ พลังงานจลน์ที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ เช่น

• พลังงานลม ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคอากาศที่เรียกว่า ลมพัด ซึ่งพลังงานลมที่แรงมากสามารถหมุนกังหันเคลื่อนนำไปผลิตกระแสไฟฟ้าได้
• พลังงานน้ำ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคน้ำ เช่น การไหลของกระแสน้ำ การไหลของน้ำตก ซึ่งพลังงานน้ำที่แรงมากเพียงพอสามารถหมุนกังหันน้ำเพื่อนำไปผลิตกระแสไฟฟ้าได้

กังหันลมสามารถเปลี่ยนพลังงานจลน์ของลมที่ทำให้ใบพัดหมุนจนได้เป็นพลังงานกลที่สามารถนำไปผลิตกระแสไฟฟ้าได้

ภาพจาก www2.edtguide.com

2. พลังงานศักย์ (potential energy)

          พลังงานศักย์เป็นพลังงานที่ถูกสะสมอยู่ในวัตถุซึ่งขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุและสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานในรูปแบบอื่นได้เสมอ พลังงานศักย์แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่

• พลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy) เป็นพลังงานศักย์ของวัตถุที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลก นั่นคือ พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับระดับความสูงจากผิวโลก วัตถุที่มีมวลเท่ากันหากวัตถุใดอยู่ในตำแหน่งที่สูงจากผิวโลกมากกว่าจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่า เช่น ก้อนหินที่อยู่บนหน้าผาจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่าก้อนหินที่วางอยู่ที่ผิวโลก ในกรณีที่ก้อนหินอยู่ในระดับความสูงเดียวกัน ก้อนหินที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่า

ก้อนหินที่หล่นจากหน้าผาจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงลดลง

• พลังงานศักย์ยืดหยุ่น (elastic potential energy) เป็นพลังงานศักย์ของวัตถุที่ขึ้นอยู่กับระยะยืดหรือหดตัวของวัตถุ ซึ่งการยืดหรือหดตัวของวัตถุนั้นขึ้นอยู่กับแรงที่มากระทำ ดังนั้น พลังงานศักย์ยืดหยุ่นจึงเป็นพลังงานที่พยายามทำให้วัตถุกลับคืนสู่สภาพเดิม เช่น เมื่อไขลานนาฬิกา สปริงของนาฬิกาจะเก็บพลังงานศักย์ยืดหยุ่นเอาไว้ พลังงานที่สะสมไว้นั้นจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์อย่างช้าๆ ขับเคลื่อนฟันเฟืองของนาฬิกา พลังงานศักย์ยืดหยุ่นจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับระยะการยืดหรือหดจากความยาวเดิมของวัตถุ และค่าคงตัวของการยืดหยุ่นซึ่งเป็นค่าเฉพาะของวัตถุนั้น เช่น ค่าคงตัวของการยืดหยุ่นของสปริงจะเรียกว่า ค่าคงตัวของสปริง โดยสปริงมีค่าคงตัวของสปริงมากจะมีพลังงานศักย์ยืดหยุ่นมาก สปริงที่มีค่าคงตัวของสปริงน้อยจะมีพลังงานศักย์ยืดหยุ่นน้อย

การยืดหรือหดของสปริงเกิดพลังงานศักย์ยืดหยุ่น

          พลังงานศักย์และพลังงานจลน์เป็นพลังงานกลที่สามารถเปลี่ยนรูประหว่างกันได้ กล่าวได้ว่า พลังงานศักย์สามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานจลน์ และพลังงานจลน์ก็สามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานศักย์ได้เช่นกัน เช่นเมื่อปล่อยวัตถุมวล m ให้ตกแบบอิสระจากตึกสูง h ลงสู่พื้นราบพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของวัตถุจะเปลี่ยนรูประหว่างกัน ณ ตำแหน่งต่างๆ ดังภาพ

          การเปลี่ยนรูประหว่างพลังงานศักย์กับพลังงานจลน์ สามารถพิจารณาได้จากการโยนวัตถุขึ้นในแนวดิ่งด้วยความเร็วต้นค่าหนึ่ง แล้วปล่อยให้วัตถุตกลงมาแบบอิสระโดยไม่มีแรงภายนอกหรือแรงอื่นใดมากระทำ ซึ่งจะได้ว่าที่ตำแหน่งเริ่มต้นของการโยนพลังงานศักย์จะมีค่าสูงสุดแต่พลังงานจลน์จะมีค่าเป็นศูนย์ แสดงได้ดังภาพ

          พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะแปรผันตรงกับความสูงของรางที่รถไฟเหาะเคลื่อนที่ขึ้นไป การเคลื่อนที่ของรถไฟเหาะเมื่อถึงจุดสูงสุดพลังงานจลน์มีค่าเป็นศูนย์ แต่กลับกันพลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่าสูง แล้วเมื่อปล่อยให้รถไฟเหาะไหลลงมาจากเนิน ความเร็วของรถไฟเหาะจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ยิ่งสูงมากเท่าไหร่ความเร็วของรถไฟทางด้านล่างจะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แสดงถึงพลังงานจลน์ที่เพิ่มมากขึ้น