เราอธิบายว่างานกลคืออะไรในฟิสิกส์ ลักษณะเฉพาะ และสูตรในการคำนวณ นอกจากนี้ ประเภทที่มีอยู่และตัวอย่าง
งานเครื่องกลคืออะไร?
ใน ทางกายภาพและโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน สาขา ของ กลศาสตร์, หมายถึงงานเครื่องกล (หรือเรียกง่ายๆว่า ทำงาน) ต่อการกระทำของ a ความแข็งแกร่ง บนร่างกายที่พักผ่อน ความเคลื่อนไหว, เพื่อผลิต การกระจัด ในร่างกายเป็นสัดส่วนกับ พลังงาน ลงทุนในพลังที่เคลื่อนย้ายมัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง งานทางกลคือปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังร่างกายโดยแรงที่กระทำต่อมัน
งานเครื่องกลคือ ขนาด สเกลาร์ซึ่งมักจะวัดใน ระบบสากล (SI) ผ่านจูลส์หรือจูล (J) และแสดงด้วยตัวอักษร W (จากภาษาอังกฤษ งาน, "ทำงาน") นอกจากนี้ เรามักพูดถึงงานบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับว่าแรงถ่ายเทพลังงานไปยังวัตถุ (งานบวก) หรือลบออก (งานลบ) ตัวอย่างเช่น ใครก็ตามที่ขว้างลูกบอลก็ทำงานในเชิงบวก ในขณะที่ใครก็ตามที่รับลูกบอลได้ทำงานด้านลบ
ลักษณะงานเครื่องกล
งานเครื่องกลมีลักษณะโดย:
- เป็นขนาดสเกลาร์ซึ่งวัดเป็นจูล (นั่นคือกิโลกรัมต่อตารางเมตรหารด้วยสองกำลังสอง) และแสดงด้วยตัวอักษร W
- ขึ้นอยู่กับแรงที่ก่อให้เกิดโดยตรง ดังนั้นเพื่อให้มีงานทางกลกับร่างกาย จะต้องมีแรงทางกลที่ใช้กับมันตามเส้นทางที่กำหนด
- ในภาษาปัจจุบัน คำว่า "งาน" ใช้เพื่อกำหนดกิจกรรมทางกลที่ประสิทธิภาพใช้พลังงานเป็นจำนวนมาก
- การถ่ายโอนของ ความร้อน (พลังงานแคลอรี่) ไม่ถือเป็นรูปแบบงาน แม้ว่าจะประกอบด้วยการถ่ายเทพลังงานก็ตาม
สูตรงานเครื่องกล
สูตรที่ง่ายที่สุดในการคำนวณงานของร่างกายที่เคลื่อนที่ด้วยแรงมักมีดังต่อไปนี้:
W = F x d
โดยที่ W คืองานที่ทำ F คือแรงที่กระทำต่อร่างกาย และ D คือระยะห่างของการกระจัดที่ร่างกายรับ
อย่างไรก็ตาม แรงและระยะทางมักจะถือเป็นขนาดเวกเตอร์ ซึ่งต้องมีการวางแนวที่แน่นอนในอวกาศ ดังนั้น สูตรข้างต้นสามารถจัดรูปแบบใหม่เพื่อรวมการวางแนวดังกล่าวได้ดังนี้:
W = F x d x cos𝛂
โดยที่โคไซน์ของอัลฟา (cos𝛂) กำหนดมุมระหว่างทิศทางที่ใช้แรงกับทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่เป็นผล
ประเภทของงานเครื่องกล
งานเครื่องกลสามารถมีได้สามประเภท ขึ้นอยู่กับว่าจะเพิ่ม ลบ หรือรักษาระดับพลังงานในร่างกายที่กำลังเคลื่อนไหว ดังนั้น เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับ:
- งานเชิงบวก (W > 0). มันเกิดขึ้นเมื่อแรงส่งพลังงานให้กับวัตถุที่เป็นปัญหา ทำให้เกิดการกระจัดไปในทิศทางเดียวกับที่ใช้แรงนั้น ตัวอย่าง เช่น นักกอล์ฟที่ตีลูกด้วยไม้กอล์ฟและทำให้ลูกลอยได้หลายเมตร หรือนักเบสบอลที่ตีลูกที่กำลังเคลื่อนที่ โดยปรับเปลี่ยนวิถีวิถีที่มีอยู่
- งานศูนย์ (W = 0) เกิดขึ้นเมื่อแรงที่ใช้ไม่ก่อให้เกิดการกระจัดใดๆ ในวัตถุ แม้ว่าจะใช้พลังงานในกระบวนการก็ตาม ตัวอย่างคือคนที่ผลักเฟอร์นิเจอร์ชิ้นที่หนักมากโดยไม่ขยับแม้แต่นิ้วเดียว
- งานเชิงลบ (W < 0)มันเกิดขึ้นเมื่อแรงที่ใช้ลบพลังงานออกจากวัตถุที่เป็นปัญหา ต่อต้านการเคลื่อนไหวที่วัตถุนำมาแล้วหรือลดการกระจัดของวัตถุ ตัวอย่างนี้จะเป็นผู้เล่นเบสบอลที่จับลูกบอลจากคนอื่น ป้องกันไม่ให้เขาอยู่ในวิถี; หรือบุคคลที่ยืนอยู่ข้างหน้าวัตถุที่ตกลงมาจากเนินเขาและถึงแม้จะไม่สามารถหยุดได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็สามารถชะลอการตกได้
ตัวอย่างงานเครื่องกล
ตัวอย่างบางส่วนของงานเครื่องกล ได้แก่
- ในเกมฟุตบอล ผู้ตัดสินได้จุดโทษ และไลโอเนล เมสซี่เตะบอลไปยังเป้าหมายด้วยแรง 500N ทำให้เคลื่อนที่ได้ประมาณ 15 เมตรโดยไม่แตะพื้น คุณทุ่มเทให้กับการทำประตูนั้นมากแค่ไหน?
คำตอบ: ใช้สูตร W = F x d เรามีว่า Messi ทำงาน 500N x 15m นั่นคืองานเทียบเท่ากับ 7500 J.
- รถไฟมุ่งหน้าลงใต้ด้วยความเร็วเต็มที่ มุ่งหน้าไปยังรถที่ติดอยู่บนรางรถไฟ ซูเปอร์ฮีโร่ที่ตระหนักถึงอันตรายจึงตัดสินใจที่จะยืนอยู่หน้าหัวรถจักรและหยุดความคืบหน้า เมื่อพิจารณาว่ารถไฟมีกำลัง 20,000 นิวตัน ซูเปอร์ฮีโร่นั้นคงกระพัน และหัวรถจักรอยู่ห่างจากรถที่ติดอยู่ 700 เมตร ซูเปอร์ฮีโร่ต้องทำงานหนักแค่ไหนเพื่อหยุดรถไฟ?
คำตอบ: เนื่องจากการเบรกหัวรถจักรต้องใช้อย่างน้อย 20,000 N ในทิศทางตรงกันข้าม และซูเปอร์ฮีโร่ต้องการเว้นระยะอย่างน้อย 2 เมตรระหว่างหัวรถจักรกับรถที่ติดอยู่ เราจึงรู้ว่าเขาต้องทำงานเท่ากับ 20,000 N x 698 ม. นั่นคืองานเชิงลบ 13,960,000 J.