หน่วยที่ 2: พลังงานและการอนุรักษ์พลังงาน (Energy and Conservation of Energy)

พลังงานเป็นส่วนสำคัญของการดำรงชีวิตและการทำงานในโลกของเรา มันคือสิ่งที่ทำให้วัตถุสามารถทำงานได้ เช่น ทำให้รถเคลื่อนที่ หรือทำให้เรายกของขึ้นได้ พลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปแบบจากชนิดหนึ่งไปยังชนิดหนึ่งได้ เช่น พลังงานจากการเผาไหม้ของน้ำมันสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลในการขับเคลื่อนรถยนต์ หรือพลังงานแสงอาทิตย์สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า

ในหน่วยนี้ นักเรียนจะได้ศึกษาประเภทของพลังงานที่สำคัญ โดยเฉพาะพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ซึ่งเป็นประเภทของพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไปมาระหว่างการเคลื่อนที่ของวัตถุและสถานะของวัตถุในแรงโน้มถ่วง

2.1 ประเภทของพลังงาน: พลังงานจลน์และพลังงานศักย์

พลังงานมีหลายประเภท แต่วัตถุที่เคลื่อนที่หรือตกลงจากที่สูงมีพลังงานอยู่สองประเภทหลัก คือ พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) และพลังงานศักย์ (Potential Energy) ซึ่งทั้งสองสามารถเปลี่ยนไปมาระหว่างกันได้

พลังงานจลน์ (Kinetic Energy)

พลังงานจลน์คือพลังงานที่วัตถุมีในขณะที่มันกำลังเคลื่อนที่ โดยพลังงานนี้ขึ้นอยู่กับทั้งมวลและความเร็วของวัตถุ สูตรในการคำนวณพลังงานจลน์คือ:

$$KE=\frac{1}{2}m{v}^2$$

ในสูตรนี้ $m$ หมายถึงมวลของวัตถุ และ $v$ คือความเร็วของวัตถุ การเพิ่มมวลหรือเพิ่มความเร็วของวัตถุจะทำให้พลังงานจลน์เพิ่มขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ลูกบอลที่ถูกเตะไปข้างหน้า หรือรถที่ขับเคลื่อนด้วยความเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มาก ยิ่งรถเคลื่อนที่เร็วขึ้น พลังงานจลน์ก็จะเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองของความเร็ว ดังนั้นพลังงานจลน์ของวัตถุจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเมื่อความเร็วเปลี่ยนแปลง

พลังงานศักย์ (Potential Energy)

พลังงานศักย์คือพลังงานที่ถูกเก็บสะสมไว้ในวัตถุเมื่อมันถูกยกขึ้นที่สูงหรืออยู่ในสถานะที่สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ได้ พลังงานศักย์นี้ขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุ ความสูงจากพื้นดิน และความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง สูตรในการคำนวณพลังงานศักย์คือ:

$$PE=mgh$$

ในสูตรนี้ $m$ หมายถึงมวลของวัตถุ, $g$ คือค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (ซึ่งมีค่าประมาณ $9.8{\text{m/s}}^2$) และ $h$ คือความสูงที่วัตถุถูกยกขึ้นจากพื้นดิน ตัวอย่างเช่น เมื่อลูกบอลถูกยกขึ้นไปบนยอดโต๊ะ มันมีพลังงานศักย์ที่เกิดจากความสูง เมื่อปล่อยลูกบอลให้ตกลงมา พลังงานศักย์นี้จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ระหว่างการตก

พลังงานศักย์และพลังงานจลน์จะเปลี่ยนแปลงไปมาระหว่างกัน เมื่อวัตถุถูกยกขึ้น พลังงานศักย์จะเพิ่มขึ้น แต่เมื่อวัตถุตกลง พลังงานศักย์จะลดลงและเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์แทน

สรุป:

• พลังงานสามารถแบ่งเป็นหลายประเภท แต่ประเภทที่สำคัญที่สุดคือพลังงานจลน์และพลังงานศักย์
• พลังงานจลน์คือพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุ โดยมีสูตรคือ $KE=\frac{1}{2}m{v}^2$
• พลังงานศักย์คือพลังงานที่สะสมไว้ในวัตถุที่ถูกยกขึ้นจากพื้นดิน โดยมีสูตรคือ $PE=mgh$
• พลังงานทั้งสองชนิดนี้สามารถเปลี่ยนแปลงไปมาระหว่างกันได้ในระบบต่าง ๆ เช่น การตกของลูกบอล หรือการเคลื่อนที่ของรถ