งาน (Work)
งาน (work) คือ ผลของแรงที่กระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบ งานเป็นปริมาณที่สามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้ งาน = แรง x ระยะทาง
F คือ แรงที่กระทำ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)
S คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบ มีหน่วยเป็นเมตร (M)
ปริมาณของงานขึ้นอยู่กับ
1. ขนาดของแรงที่ใช้
2. ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแนวแรง
3. ทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุตามแนวแรง
ตัวอย่างเช่น การออกแรงยกกล่องให้สูงขึ้น ทิศทางการเคลื่อนที่ของกล่องมีทิศทางเดียวกับแนวแรง การกระทำเช่นนี้เป็นการทำให้เกิดงานทางวิทยาศาสตร์
ตัวอย่างการคำนวณงาน
ตัวอย่าง 1 วินัยออกแรงยกกล่องด้วยแรง 30นิวตัน แล้วเดินขึ้นบันได 5 ขั้น แต่ละขั้นสูง 20 เซนติเมตรงานที่วินัยทำจากการยกกล่องขึ้นบันไดมีค่าเท่าใด
วิธีทำ จากโจทย์ความสูงของขั้นบันใด = 5 x 20
= 100 cm
= 1 m
จากสูตร W = F x s
= 30 x 1
= 30 J
ตอบ วินัยทำงานจากการลากกล่องได้ 30จูล
ตัวอย่าง2 นงนุชยกกล่องที่มีน้ำหนัก 20 นิวตัน ขึ้นจากพื้นไปวางบนชั้นหนังสือที่สูงจากพื้น 1.3 เมตร จงหางานที่นงนุชทำได้
วิธีทำF = 20 นิวตัน
S = 1.3 เมตร
จากสูตร W = F x s
W = 20 N x 1.3 m
= 26 J
ตอบดังนั้น งานที่นงนุชทำได้มีค่าเท่ากับ 26 จูล
ตัวอย่าง 3 ชายผู้หนึ่งดันตู้ที่มีน้ำหนัก 1,000 นิวตัน ให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า 0.5 เมตร จงคำนวณหางานที่ชายผู้นี้ทำได้
วิธีทำ จากสูตร งานที่ทำ = แรง x ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่
แทนค่าในสูตร งานที่ทำ = 1,000 N x 0.5 m
= 500 J
ตอบดังนั้น งานที่ชายผู้นี้ทำได้มีค่าเท่ากับ 500 จูล
ในกรณีที่งานเป็นศูนย์
ถ้ามีแรงกระทำต่อวัตถุ แต่วัตถุไม่เคลื่อนที่ (อยู่นิ่ง) จะไม่เกิดงาน หรือ “งานเป็นศูนย์” เพราะไม่มีระยะกระจัด
ถ้าออกแรงกระทำต่อวัตถุในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ ( = 90 องศา) จะไม่เกิดงาน หรือ “งานเป็นศูนย์” เช่น การหิ้วกระเป๋าเดินไปตามพื้นราบ หรือนั่งแบกของบนรถที่กำลังวิ่งไปบนถนนราบ เป็นต้น
งานในทางฟิสิกส์ หมายถึง ผลของการออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุนั้นเคลื่อนที่ตามแนวแรงองค์ประกอบของการเกิดงานมีดังนี้
1. แรงที่กระทำต่อวัตถุ (F)
2. ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ (S)
3. ทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่ต้องอยู่ในแนวเดียวกับแรง(จะทิศเดียวกันหรือทิศตรงข้ามกันก็ได้)
เมื่อใดไม่เกิดงาน?
กรณีที่ไม่เกิดงานหรืองานเป็นศูนย์ มีดังนี้
1. มีแรงมากระทำแต่วัตถุไม่เคลื่อนที่
2. มีแรงมากระทำแต่มีทิศทางตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่
สมการที่ใช้ในการคำนวณหางาน (งานของแรงคงที่)
W=F.Scosθ
เมื่อ W = งาน หน่วยเป็น จูล (J)
F = แรงกระทำ หน่วยเป็น นิวตัน (N)
S = ระยะทาง หน่วยเป็น เมตร (m)
θ = มุมระหว่างทิศของแรงกับทิศการเคลื่อนที่
งานของแรงคงที่และแรงไม่คงที่ หาได้จากพื้นที่ใต้กราฟ F-S มีดังนี้
1. W = พื้นที่ใต้กราฟ
2. เมื่อแรง F มีทิศเดียวกับการเคลื่อนที่ W = พื้นที่ใต้กราฟ
3. เมื่อแรง F มีทิศทำมุมθกับการเคลื่อนที่ W = พื้นที่ใต้กราฟ×cosθ
4. มีแรงเสียดทาน W = พื้นที่ใต้กราฟ f-s
งานประเภทต่างๆที่ควรทราบ
งานที่เป็นบวก เป็นงานที่เกิดจากแรงพยายามที่กระทำให้วัตถุเคลื่อนที่(งานของF)
⇒ WF = F.S = (F.s)-(f.s)
งานที่เป็นลบ เป็นงานที่เสียไปในระหว่างการเคลื่อนที่(งานของแรงf)
⇒ Wf = -f.S
งานของแรงลัพธ์ เป็นผลรวมงานของแรงย่อยทั้งหมด
⇒ WΣF = WF-Wf = (F.s)-(f.s)
งานเป็นศูนย์ เกิดจากแรงกระทำแต่วัตถุไม่เคลื่อนที่ หรือถ้าวัตถุเคลื่อนที่แต่แนวแรงที่กระทำตั้งฉากกับการ เคลื่อนที่ เช่น การแบกหรือหิ้ววัตถุแล้วเดินตามแนวราบ วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่แบบวงกลม
งานในการดึงลวดสปริง หาได้จากแรงเฉลี่ย × ระยะกระจัดของสปริงจากแนวสมดุล
จากรูป(ก) สปริงยังไม่ยืดแรง F1=0
จากรูป(ข) สปริงยืดมีระยะกระจัดX ขณะนั้นแรง F2= F
ดังนั้น แรงเฉลี่ยของสปริงจาก(ก)ถึง(ข) เท่ากับ (F¹ + F²)/2 จะได้เท่ากับ F/2
จากงานสปริง = แรงเฉลี่ย×ระยะกระจัดสปริง