งานและพลังงาน

งาน (work)

          งาน (work) คือ  ผลของแรงที่กระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบ งานเป็นปริมาณที่สามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้

                                          งาน  =   แรง (นิวตัน) x  ระยะทาง (เมตร)

           เมื่อ     W  คือ  งาน  มีหน่วยเป็นจูล ( J ) หรือนิวตันเมตร (N-m)
                      F   คือ  แรงที่กระทำ  มีนหน่วยเป็นนิวตัน ( N )
                      s   คือ  ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบ  มีหน่วยเป็นเมตร ( m )

                      จะได้สูตรคำนวณหางาน คือ      F  =  W x s     

ตัวอย่าง  วินัยออกแรงยกกล่องด้วยแรง  30  นิวตัน  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  30  จูล

พลังงาน ( energy )

         พลังงาน (energy) คือ  ความสามารถในการทำงานได้ของวัตถุหรือสสารต่าง ๆ   พลังงานสามารถทำให้สสารเกิดการเปลี่ยนแปลงได้  เช่น ทำให้สสารร้อนขึ้น เกิดการเคลื่อนที่  เปลี่ยนสถานะเป็นต้น
         พลังงานที่นำมาใช้ในชีวิตประจำวันมีหลายรูปแบบ เช่น  พลังงานกล  พลังงานความร้อน พลังงานไฟฟ้า  พลังงานแสง  พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร์  เป็นต้น
         หน่วยของพลังงาน   พลังงานมีหน่วยเป็นจูล (J)

ประเภทของพลังงาน

พลังงานแบ่งออกเป็น  6 ประเภท ตามลักษณะที่เห็นได้ชัดเจน ซึ่งได้แก่
        1.  พลังงานเคมี (Chemical Encrgy)
        2.  พลังงานความร้อน (Thermal Energy)
        3.  พลังงานกล (Mechanical Energy)
        4.  พลังงานจากการแผ่รังสี (Radiant Energy)
        5.  พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy)
        6.  พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear Energy)

1.พลังงานเคมี

             พลังงานเคมีเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในสารต่างๆ โดยอยู่ในพันธะระหว่างอะตอมในโมเลกุล เมื่อพันธะแตกสลาย พลังงานสะสมจะถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อนและแสงสว่าง ตัวอย่างเช่น พลังงานที่ถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่, พลังงานในกองฟืน, พลังงานในขนมชอกโกแลต, พลังงานในถังน้ำมัน เมื่อไม้ลุกไหม้แล้วจะให้คาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ รวมถึงผลิตของเสียอื่นๆ เช่น ขี้เถ้า เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ใช้แต่ละชนิด มีโครงสร้างทางเคมีที่ต่างกัน เมื่อใช้ในปริมาณเชื้อเพลิงที่เท่ากัน จึงให้ความร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งก๊าซธรรมชาตินั้นให้ความร้อนมากกว่าน้ำมัน และน้ำมันนั้นก็ให้ความร้อนมากกว่าถ่านหิน

2.พลังงานความร้อน

              แหล่งกำเนิดพลังงานความร้อน มนุษย์เราได้พลังงานความร้อนมาจากหลายแห่งด้วยกัน เช่น จากดวงอาทิตย์, พลังงานในของเหลวร้อนใต้พื้นพิภพ , การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง, พลังงานไฟฟ้า, พลังงานนิวเคลียร์, พลังงานน้ำในหม้อต้มน้ำ, พลังงานเปลวไฟ ผลของความร้อนทำให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิสูงขึ้น หรือมีการเปลี่ยนสถานะไป และนอกจากนี้แล้ว พลังงานความร้อน ยังสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้อีกด้วย หน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน คือ แคลอรี่ โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรี่มิเตอร์

3. พลังงานกล

              พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้อง กับการเคลื่อนที่โดยตรง เช่น ก้อนหินที่อยู่บนยอดเนินจะมีพลังงานศักย์กล (Potential mechanical energy) อยู่จำนวนหนึ่ง ขณะที่ก้อนหินกลิ้งลงมาตามทางลาดของเนิน พลังงานศักย์จะลดลง และเกิดพลังงานจลน์กลของการเคลื่อนที่ (Kinetic mechanical energy) ขึ้นแทน สิ่งมีชีวิตอาศัยพลังงานรูปนี้ในการทำงานที่ต้องมีการ เคลื่อนไหวเป็นประจำ เช่น การเดิน การขยับแขนขา การหยิบวัตถุ เป็นต้น

4. พลังงานจากการแผ่รังสี

               พลังงานที่มาในรูปของคลื่น เช่น แสง ความร้อน คลื่นวิทยุ อินฟาเรด อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีคอสมิก สิ่งมีชีวิตต้องอาศัยพลังงานรูปนี้ ในกระบวนการที่สำคัญต่างๆ เช่น การมองเห็นภาพ การสังเคราะห์ด้วยแสง การขยายพันธุ์ชนิดที่ขึ้นอยู่กับช่วงแสง อาจสรุปได้ว่าเป็นพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเอง ซึ่งพลังงานรูปนี้มีบทบาทต่อความเป็นอยู่ปกติของสิ่งมีชีวิต และอาจจะได้พลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์, พลังงานจากเสาส่งสัญญาณทีวี, พลังงานจากหลอดไฟ, พลังงานจากเตาไมโครเวฟ, พลังงานจากเลเซอร์ที่ใช้อ่านแผ่นซีดี ฯลฯ

5. พลังงานไฟฟ้า

               พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาเคมีแบบหนึ่งอันมีผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นได้ และกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้จะไหลผ่านความต้านทานไฟฟ้าได้ถ้าต่อให้เป็นวงจร ผลจากกระแสไฟฟ้าดังกล่าวอาจทำให้เกิดผลต่าง ๆ เช่นก่อให้เกิดอำนาจแม่เหล็ก เกิดความร้อนหรือแสงสว่าง พลังงานที่เกิดจากการผ่านขดลวดไปในสนามแม่เหล็ก, พลังงานที่ใช้ขับเครื่องคอมพิวเตอร์, พลังงานที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น

6. พลังงานนิวเคลียร์

              พลังงานที่ถูกปล่อยออกจากสารกัมมันตภาพรังสี ที่มีอยู่ในธรรมชาติหรือที่เกิดในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูหรือระเบิดปรมาณู การเกิด fusion ของนิวเคลียร์เล็ก มีหลักอยู่ว่า ถ้านำเอาธาตุเบาๆ ตั้งแต่ 2 ธาตุขึ้นไป มารวมกันโดยมีพลังงานความร้อนอย่างสูงเข้าช่วย จะทำให้ธาตุเบาๆ นี้รวมกัน กลายเป็นธาตุใหม่ ซึ่งหนักกว่าเดิม ส่วน fission เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างการยิงอนุภาคบางชนิดกับนิวเคลียสของธาตุหนักๆ ทำให้นิวเคลียสของธาตุหนักแตกแยกออกเป็น 2 ส่วน ซึ่งแต่ละส่วนเป็นธาตุที่เบากว่าเดิม และขนาดเกือบเท่าๆ กัน พลังงานรูปนี้มีบทบาทต่อความเป็นอยู่ปกติของสิ่งมีชีวิตน้อย

พลังงานกล
       พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่หรือพร้อมที่จะเคลื่อนที่  แบ่งออกเป็น  2  อย่าง  คือ พลังงานศักย์และพลังงานจลน์
          1. พลังงานศักย์ (potential energy : E_p ) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในตัววัตถุหรือสสารที่หยุดนิ่งอยู่กับที่ยังไม่เกิดการเคลื่อนที่ ถ้าวัตถุอยู่บนพื้นที่สูงจากระดับพื้นดินขึ้นไป  พลังงานที่สะสมอยู่ในตัวของวัตถุนี้จะเกิดจากแรงดึงดูดของโลกจึงเรียกว่า "พลังงานศักย์โน้มถ่วง"
             การคำนวณพลังงานศักย์โน้มถ่วงใช้สูตรดังนี้

                                          E_p = mgh        

        2.  พลังงานจลน์ ( kinetic energy : E_k )  คือ  พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่
                การคำนวณพลังงานจลน์ใช้สูตรดัง

                                E_k = 1/2mv²

กฎการอนุรักษ์พลังงาน
              กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Law of conservation of energy) กล่าวไว้ว่า "พลังงานรวมของวัตถุจะไม่สูญหายไปไหน  แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้"
พลังงานความร้อน
       พลังงานความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่สามารถทำงานได้และเปลี่ยนรูปมาจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง จากดวงอาทิตย์  พลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อนใต้พิภพ  หรือเกิดจากปฏิกิริยาเคมี  พลังงานเหล่านี้ล้วนแต่มีความสำคัญในการทำกิจกรรมต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต

อุณหภูมิ
       การบอกค่าพลังงานความร้อนของสารต่าง ๆ ว่าร้อนมาหรือน้อยเพียงใดนั้น  นักวิทยาศาสตร์เรียกนะดับความร้อนของสารเหล่านั้นว่า อุณหภูมิ (temperature) เครื่องมือที่ใช้สำหรับวัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์มอมิเตอร์ (thermometer)  เทอร์โมมิเตอร์ มักผลิตมาจากปรอทหรือแอลกอฮอล์ เมื่อของเหลวได้รับความร้อนจะมีการขยายตัวไปตามช่องเล็กๆ ซึ่งมีสเกลบอกอุณหภูมิเป็นตัวเลข มีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส หรือองศาฟาเรนไฮต์
            หน่วยที่ใช้วัดอุณหภูมิ
           1. องศาเซลเซียส (  ^oC )
           2. องศาฟาเรนไฮต์ (  ^oF)
           3. เคลวิน ( K )

       ในการเปลี่ยนแปลงหน่วยวัดอุณหภูมิจากหน่วยหนึ่งไปยังอีกหน่วยหนึ่งใช้สูตรความสัมพันธ์ดังนี้

                                            ^oC/5  = ^oF -32/9 =  K - 273/5
ตัวอย่าง  อุณหภูมิร่างกายของคนเราปกติคือ 37 องศาเซลเซียส จะมีค่าเท่าใดในหน่วยองศาฟาเรนไฮต์
วิธีทำ     จากสูตร                                  ^oC/5  =  ^oF-32/9
                                                            37/5  =  ^oF-32/9
                                                         7.4 x 9  =  ^oF - 32
                                                            66.6   =  ^oF - 32 
                                                               ^oF   =    66.6 + 32
                                                                       =    98.6   ^oF
                 ดังนั้นอุณหภูมิร่างกายของคนปกติจะเท่ากับ  98.6  ฟาเรนไฮต์

การถ่ายโอนพลังงานความร้อน
       การถ่ายเทหรือถ่ายโอนพลังงานความร้อนมีหลายแบบดังนี้
1. การนำความร้อน
       การนำความร้อนเป็นการส่งผ่านความร้อนที่ต้องมีตัวกลาง ตัวกลางจะไม่เคลื่อนที่ แต่ความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อของตัวกลาง เช่นการเผาด้านหนึ่งของแท่งเหล็ก ความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อของแท่งเหล็กจนทำให้ปลายอีกข้างร้อนตามไปด้วย การนำความร้อนของวัตถุแต่ละชนิดไม่เท่ากัน เช่น เหล็กจะนำความร้อนได้ดีกว่า แท่งแก้ว วัตถุที่นำความร้อนได้เร็วเรียกว่า ตัวนำความร้อน วัตถุที่นำความร้อนได้ไม่ดีหรือช้า เรียกว่า ฉนวนความร้อน
2. การพาความร้อน
      การพาความร้อนเป็นการส่งผ่านความร้อนที่มีการเคลื่อนที่ของตัวกลาง เช่น การที่เรานั่งรอบกองไฟแล้วรู้สึกร้อน ก็เพราะอากาศได้พาเอาความร้อนเคลื่อนที่มีถูกตัวเรา
3. การแผ่รังสีความร้อน
      การแผ่รังสีความร้อน  เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง  ซึ่งความร้อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดจะอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถเคลื่อนที่ไปยังอีกจุดหนึ่งโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางและมีอัตราเร็วในการเคลื่อนที่สูงมาก
สมดุลความร้อน
      สมดุลความร้อน  หมายถึง  การที่วัตถุมีอุณหภูมิสูงถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กับวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำจนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันแล้วจึงจะหยุดการถ่ายโอนพลังงาน

การขยายตัวของวัตถุ
         เมื่อวัตถุได้รับพลังงานความร้อน  ทำให้อุณหภูมิในวัตถุเพิ่มขึ้น  วัตถุจะขยายตัว และเมื่อวัตถุคายพลังงานความร้อนทำให้อุณหภูมิของวัตถุลดลง วัตถุจะหดตัว

การเคลื่อนที่แนวดิ่ง(ทบทวน)

การเคลื่อนที่แนวดิ่ง
          การเคลื่อนที่แนวดิ่งภายใต้แรงดึงดูดของโลกคือ  การเคลื่อนที่ของวัตถุที่ไม่มีเครื่องยนต์กลไล  เช่น  การเคลื่อนที่ของก้อนหินหรือลูกบอล  เป็นต้น ความเร่งของการเคลื่อนที่จะมีค่าคงที่เท่ากับ 9.81 m/s²
          สำหรับการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีเคลื่อนยนต์ติดอยู่ ได้แก่ การเคลื่อนที่ของลิฟท์ จรวด หรือบอลลูน เป็นต้น มักจะเคลื่อนที่ไปด้วยความเร่งของตัวมันเองไม่เกี่ยวข้องกับความเร่งจากแรงดึงดูดของโลก
          ข้อแตกต่างของการเคลื่อนที่ภายใต้แรงดึงดูดของโลกและภายใต้อำนาจเครื่องยนต์

          วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของเครื่องยนต์

  1 ความเร็วต้นของการเคลื่อนที่เป็นศูนย์เสมอ (การเคลื่อนที่ของลิฟท์ จรวด และบอลลูน)

2 ความเร่งมีทิศขึ้นหรือลงก็ได้ ขึ้นอยู่กับการบังคับเครื่องยนต์ วัตถุเคลื่อนที่ภายใต้ความเร่งของโลก (g)

1 ความเร็วต้นจะต้องไม่เท่ากับศูนย์ ยกเว้นกรณีวัตถุที่วัตถุเคลื่อนที่จากที่สูงลงที่ต่ำ

       2 ความเร่งมีทิศลงสู่พื้นโลกเสมอ

                             

 สูตรที่ใช้จะเหมือนกับการเคลื่อนที่ในแนวราบ ต่างตรงที่ เปลี่ยน h=s และa=g                                    
 สูตร  การเคลื่อนที่แนวดึ่งที่ควรรู้
1 ) V = u + gt
2 ) h = ut +
3 ) = + 2gh
4 ) h = () t

การเคลื่อนที่แนบราบ(กรณีvไม่คงที่)

หาก การเคลื่อนที่นั้นความเร่งเป็น0 มีอัตราเร็วคงที่ จะใช้สูตร
s=vt
การเคลื่อนที่แนวราบ 
สูตร    การเคลื่อนที่ของวัตถุแนวราบที่เราควรรู้

1) v = u + at
2 )s = ut +
3 ) = + 2as
4 ) s = () t
โดยที่
s=ระยะทาง
a=ความเร่ง
v=อัตราเร็วปลาย
u=อัตราเร็วต้น
t=เวลา

ข้อสังเกต
         วัตถุที่มีเครื่องยนต์ ความเร็วต้นของการเคลื่อนที่ จะต้องเป็นศูนย์เสมอ สำหรับความเร็วต้นที่ผู้สังเกตเห็นไม่ก็ได้ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของผู้สังเกตอยู่
         หากรถยนต์วิ่งมาแล้วเบรคกะทันหันจะเกิดความหน่วง (a ติดลบ)  
        
         

การเคลื่อนที่ในแนวราบ(ทบทวน)

การเคลื่อนที่แบบเคลื่อนที่ ( Translationnal motion ) คือการเคลื่อนที่จากตำแหน่งเดิมไปยังตำแหน่งใหม่ ซึ่งการเคลื่อนที่อาจเป็นแนวเส้นตรง แนวโค้ง หรือ กลับไป-กลับมาซ้ำแนวเดิม ก็ได้

ระยะทาง ( Distance )

คือ ความยาวตามแนวการเคลื่อนที่ วัดจากตำแหน่งเริ่มต้นไปตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ ถึงตำแหน่งสุดท้าย หรือ วัดจากตำแหน่งสุดท้ายย้อนกลับมาตามเส้นทางการเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งเริ่มต้นจะได้ระยะทางเท่ากัน จะเห็นว่าระยะทางนั้นไม่ได้คำนึงถึงทิศทางในการวัด บอกเฉพาะขนาดเพียงอย่างเดียวก็ได้ความหมายชัดเจน

เช่น นาย ก.เดินจาก A ไป B และเดินต่อจาก B ไป C เป็นดังรูป

ระยะทางคือ ความยาวตามแนวการเคลื่อนที่เป็นปริมาณสเกลาร์(วัดจากจุดเริ่มต้นไปตามแนวการเคลื่อนที่หรือวัดจากจุดสุดท้ายย้อนกับมาจุดเริ่มต้นก็ได้)
ระยะทาง ที่นายเจเดิน = AB + BC หรือ CB + BA... ระยะทางมีหน่วยเป็น เมตร (m)

การกระจัด ( Displacement )
คือ การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุ โดยวัดจากจุดเริ่มต้นไปยังจุดสุดท้ายตามแนวเส้นตรงมีหน่วยเป็นเมตร (m)เป็นปริมาณเวกเตอร์ เช่น นายโจ เดินจาก A ไป B แล้วต่อไปที่ C แสดงว่า นายโจเปลี่ยนตำแหน่งจาก A ไปยัง C ดังรูป

การกระจัดคือการเปลี่ยนตำแหน่ง จากจุดเริ่มต้นไปยังจุดสุดท้าย(วัดจากจุดเริ่มต้นไปยังจุดสุดท้ายเท่านั้น)แสดงว่า การกระจัดของนายโจ คือ ระยะ AC มีทิศจาก A ไป C (จะมีทิศจาก A ไป C เท่านั้น)

การบอกตำแหน่งของวัตถุ
การบอกตำแหน่งของวัตถุให้ได้ความหมายชัดเจนต้องบอก.

1. ตำแหน่งอ้างอิง หรือจุดอ้างอิง เป็นตำแหน่งที่อยู่นิ่งกับที่.

2. ทิศทางที่วัตถุอยู่ ว่าอยู่ทิศใดของตำแหน่งอ้างอิง.

3. การกระจัด หรือ ระยะห่าง ว่าห่างจากตำแหน่งอ้างอิงเท่าไร

ข้อสังเกตการเคลื่อนที่แนวเส้นตรงมีทิศอยู่ 2 ทิศ คือ ซ้ายหรือขวา หรือ หน้ากับหลังมักจะใช้เครื่องหมายบวก ( + ) หรือลบ ( - ) แทน

พิจารณาจากรูป เช่น รถยนต์ A อยู่ห่างจากหอนาฬิกาไปทางซ้ายมือ 10 เมตร หรือ -10 เมตรรถยนต์ B อยู่ห่างจากหอนาฬิกาไปทางขวามือ 20 เมตร หรือ 20 เมตร

การกระจัดสามารถเขียนเป็นกราฟการกระจัด (S) กับเวลา (t)

วัตถุเคลื่อนที่โดยไม่ย้อนกลับเช่น วัตถุเคลื่อนที่จาก A ไป B ซึ่งห่างกัน 10 m ในเวลา 2 s เขียนเป็นกราฟได้

แรง (ทบทวน)

แรง

แรง (force) หมายถึง ปริมาณที่กระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุเปลี่ยนแปลงจากสภาพเดิม แรงนี้อาจจะสัมผัสกับวัตถุหรือไม่สัมผัสกับวัตถุก็ได้ แรงดึง แรงผลัก และแรงยก แรงพวกนี้กระทำบนพื้นผิวของวัตถุ แต่มีแรงบางชนิด เช่น แรงแม่เหล็ก แรงทางไฟฟ้า และแรงโน้มถ่วงจะไม่กระทำบนผิวของวัตถุ แต่กระทำกับเนื้อของวัตถุทุกตำแหน่ง เช่น น้ำหนักของวัตถุ ก็คือ แรงดึงดูดของโลกที่กระทำกับวัตถุโดยไม่ต้องสัมผัสกับผิวของวัตถุเลย แรงจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ เพราะมีทั้งขนาดและทิศทาง หน่วยของแรงในระบบเอสไอ คือ นิวตัน (N) เนื่องจากแรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ สัญลักษณ์ที่เขียนแทนแรง คือ

เวกเตอร์ของแรง
ปริมาณบางปริมาณที่ใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวันบอกเฉพาะขนาดเพียงอย่างเดียวก็ได้ความหมายสมบูรณ์แล้ว แต่บางปริมาณจะต้องบอกทั้งขนาดและทิศทางจึงจะได้ความหมายที่สมบูรณ์ ปริมาณในทางฟิสิกส์แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
1. ปริมาณสเกลาร์ (scalar quantity) คือ ปริมาณที่บอกแต่ขนาดอย่างเดียวก็ได้ความหมายที่สมบูรณ์ โดยไม่ต้องบอกทิศทาง เช่น เวลา ระยะทาง มวล พลังงาน งาน ปริมาตร ฯลฯ ในการหาผลลัพธ์ของปริมาณสเกลาร์ทำได้โดยอาศัยหลักทางพีชคณิต คือ ใช้วิธีการบวก ลบ คูณ หาร
2. ปริมาณเวกเตอร์ (vector quantity) คือ ปริมาณที่ต้องการบอกทั้งขนาดและทิศทางจึงจะได้ความหมายที่สมบูรณ์ เช่น ความเร็ว ความเร่ง การกระจัด โมเมนตัม แรง ฯลฯ

คลื่นกระแทก

2. คลื่นกระแทก ( shock wave )

คลื่นกระแทก  คือ ปรากฏการณ์ที่หน้าคลื่นเคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นหน้าคลื่นวงกลมซ้อนเรียงกันไป โดยที่มีแนวหน้าคลื่นที่มาเสริมกันมีลักษณะเป็นรูปตัวVอันเนื่องมาจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง( V_s>V ) เช่น คลื่นกระแทกของคลื่นที่ผิวน้ำขณะที่เรือกำลังวิ่ง หรือคลื่นเสียงก็เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินบินเร็วกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศ

รูปแสดงคลื่นกระแทกที่เกิดจากเรือมีความเร็วมากกว่าความเร็วคลื่นน้ำ

รูปแสดงคลื่นกระแทกที่เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินมีความเร็วมากกว่าความเร็วเสียง

                                              ภาพ (1)                ภาพ(2)                  ภาพ(3)

ภาพ (1)  แสดง แหล่งกำเนิดคลื่น เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่ำกว่าอัตราเร็วเสียง  เกิดดอปเพลอร์ ( V_s< V )

ภาพ (2) แสดง แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เท่ากับอัตราเร็วเสียง เกิดการชนกำแพงเสียง ( V_s=V )

ภาพ (3) แสดง แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียง(super sonic) เกิดคลื่นกระแทก ( V_s>V )

คลิกเข้าไปทดลองเสมือนการเกิดคลื่นกระแทกที่ความเร็วต่างๆ

ถ้าอัตราเร็วของเครื่องบินมากกว่ามากกว่าอัตราเร็วเสียงในอากาศมากๆ จนกระทั่งทำให้รูปกรวยยิ่งเล็กลงมากๆ แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างมาก และรวดเร็วเป็นผลทำให้เกิดเสียงดังคล้ายเสียงระเบิดบริเวณคลื่นกระแทกนี้เคลื่อนที่ผ่าน  อาจทำให้กระจกหน้าต่างแตกได้  เสียงที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า"ซอนิกบูม ( Sonic Boom )"

คลิกชมวีดีโอและฟังเสียง Sonic Boom

เลขมัค( Mach Number )

 

                เลขมัค  คือ ตัวเลขที่บอกให้เราทราบว่า อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่น  มีค่าเป็นกี่เท่าของอัตราเร็วของคลื่นในตัวกลาง เช่น เครื่องบินไอพ่นบินด้วยความเร็ว 2 มัค หมายความว่าเครื่องบินกำลังบินด้วยความเร็ว 2 เท่าของความเร็วเสียงในอากาศ  เลขมัคถูกเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ " Ma "



สรุป  ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียงและคลื่นกระแทกของเสียง เป็นปรากฏการณ์เกิดขึ้นต่อเนื่องกันคือเมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็วเสียง (Vs < V)  เกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์  แต่เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงมีความเร็วมากกว่าความเร็วเสียง( Vs > V ) เกิดคลื่นกระแทก

ความหมายของปรากฎการณ์ ดอปเปลอร์

ปรากฏการณ์ดอพเพลอร์ของเสียงและคลื่นกระแทก

1. ปรากฏการณ์ดอพเพลอร์ของเสียง ( Doppler Effect )

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงออกมา เสียงก็จะกระจายออกไปทุกทิศทางด้วยความยาวคลื่นที่เท่ากัน ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงหยุดนิ่ง เราจะพบว่าเสียงที่ผู้ฟังได้ยินจะมีความยาวคลื่นเดียวกับที่แหล่งกำเนิดเสียงให้ออกมา

รูปแสดง ความยาวคลื่นทุกด้านเท่ากัน เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเสียงอยู่นิ่ง

รูปแสดงความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังไม่เท่ากัน เมื่อแหล่งกำเนิดสียงเคลื่อนที่

แต่ถ้าผู้ฟังหรือแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ ความยาวคลื่นที่ออกไปด้านหน้าของแหล่งกำเนิดเสียงจะสั้นลง ส่วนความยาวคลื่นด้านหลังของแหล่งกำเนิดเสียงซึ่งเคลื่อนที่ผ่านไป จะมีความยาวคลื่นยาวมากขึ้น

ปรากฏการณ์นี้ เราจะได้ยินเสียงความถี่ผิดไปจากที่แหล่งกำเนิดให้ออกมา(ทั้ง ๆ ที่แหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงความถี่เท่าเดิม) เราเรียกว่าเกิดปรากฏการดอปเปลอร์



 ภาพเคลื่อนไหวแสดงแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่นที่ไปทางขวา ความยาวคลื่นด้านหน้าสั้นกว่าด้านหลัง

  

ปรากฎการณ์ดอปเปลอร์เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ ระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงหรือผู้ฟัง ทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่มีความถี่ไม่เท่ากับความถี่เสียงที่แหล่งกำเนิดเสียงให้ออกมา

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นนี้เราสามารถแบ่งได้เป็น5กรณี คือ

1. กรณีแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ปรากฏแก่ผู้สังเกตที่หยุดนิ่งจะได้ยินเสียงมีความถี่สูงขึ้นกว่าความถี่เสียงปกติของแหล่งกำเนิดเสียง และความยาวคลื่นสั้นลง
2. กรณีแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะมีความถี่ต่ำลงกว่าเดิม  แต่ความยาวคลื่นจะยาวขึ้น
3. กรณีผู้สังเกตเคลื่อนที่เข้าหาแหล่งกำเนิดเสียงที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะสูงกว่าเดิม
4. กรณีผู้สังเกตเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดเสียงที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะต่ำลงกว่าเดิม แต่ความยาวคลื่นเสียงเท่าเดิม5. กรณีแหล่งกำเนิดและผู้สังเกตต่างเคลื่อนที่ ซึ่งอาจแบ่งได้เป็น ต่างเคลื่อนที่เข้าหากัน หรือเคลื่อนที่แยกออกจากกัน หรือเคลื่อนที่ตามกัน  สังเกตจากถ้าเวลาผ่านไปแล้วแหล่งกำเนิดเสียงกับผู้สังเกตมีระยะห่างกันน้อยลง แสดงว่าผู้ฟังจะได้ยินเสียงมีความถี่สูงขึ้น  ส่วนเมื่อเวลาผ่านไประยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงกับผู้สังเกต มีระยะห่างกันมากขึ้น แสดงว่าผู้ฟังได้ยินเสียงมีความถี่เสียงต่ำลง

วีดีโอแสดงการเกิดดอปเพลอร์ของเสียง ผู้ฟังได้ยินเสียงมีความถี่ต่างจากความถี่เสียงจริง

คลิกเพื่อศึกษาการเกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง

การคำนวณเกี่ยวกับปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง มีอยู่ 2 แบบ

1. การหาความยาวคลื่นเสียงด้านหน้า และด้านหลังแหล่งกำเนิดสียง

  1.1  ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงอยู่นิ่ง  ความยาวคลื่นทุกด้านเท่ากัน หาความยาวคลื่นเสียงตามปกติ

 



  1.2  หาความยาวคลื่นที่ปรากฏด้านหน้าแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่  จะได้ความยาวคลื่นสั้นลง

  1.3  หาความยาวคลื่นที่ปรากฏด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่  จะได้ความยาวคลื่นมากขึ้น

หมายเหตุ  จากสมการ ความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่ ไม่เกี่ยวข้องกับผู้สังเกตซึ่งอยู่ด้านหน้าและหลังแหล่งกำเนิดเลย ไม่ว่าผู้สังเกตจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่อย่างไรก็ตาม

2. หาความถี่เสียงปรากฏต่อผู้ฟัง ขณะเกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง

จากการศึกษาที่ผ่านมาสรุปว่า การที่ผู้สังเกตจะได้ยินเสียงที่ปรากฏว่ามีความถี่เสียงสูงขึ้น หรือต่ำลงกว่าปกตินั้น  ให้สังเกตว่า ถ้าเกิดการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและผู้สังเกต สัมพัทธ์แบบทำให้ระยะห่างระหว่างกันลดลงเรื่อยๆ เป็นลักษณะการเข้าหา ผู้สังเกตุจะได้ยินเสียงที่มีความถี่สูงกว่าปกติ  ส่วนในทางตรงกันข้าม เกิดการสัมพัทธ์ที่ระยะห่างระหว่างผู้ฟังกับแหล่งกำเนิดเสียงเพิ่มมากขึ้น เป็นลักษณะการออกจากกัน  ผู้สังเกตุจะได้ยินเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าปกติ  สมการคำนวณคือ

Shock Wave Theory

Doppler Effect

Physics

บทสรุปการเรียนการสอนวิชาฟิสิกส์ ม.4