แรงโน้มถ่วง กับพลังงานศักย์ที่สะสมอยู่ในวัตถุ

แรงโน้มถ่วง ที่มีผลต่อ พลังงานศักย์ พลังงานของวัตถุที่หยุดนิ่งที่เกิดจากแรงดึงดูดของโลกที่สามารถคำนวณหาค่าพลังงานได้จากสูตรทางคณิตศาสตร์

แรงโน้มถ่วง เป็นแรงดึงดูดของโลกหรือแรงของโลกที่กระทำต่อมวลของวัตถุทุกชนิดบนโลกและวัตถุที่อยู่ใกล้ผิวโลก โดยจะดึงดูดวัตถุซึ่งกันและกันเข้าสู่ศูนย์กลางของโลกทำให้วัตถุต่างๆ ตกลงสู่พื้นโลกเสมอและทำให้วัตถุมีน้ำหนัก สามารถทดลองได้จากการปล่อยลูกบอลให้ตกลงบนพื้นโลก

ผู้ค้นพบแรงโน้มถ่วงบนโลกคือ เซอร์ไอแซก นิวตัน นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ ที่ค้นพบกฎของแรงโน้มถ่วง และกฎการเคลื่อนที่ 3 ข้อ รากฐานของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปัจจุบัน จุดเริ่มต้นมาจากการที่ เขานั่งอยู่ใต้ต้นแอปเปิลในวันที่คิดถึงสาเหตุที่ทำให้ดวงจันทร์โคจรรอบโลก แล้วบังเอิญได้ยินเสียงลูกแอปเปิลตกลงมาจากต้น ทำให้เกิดการเชื่อมโยงเหตุการณ์ระหว่างดวงจันทร์โคจรรอบโลก เข้ากับข้อสังเกตเรื่องแรงโน้มถ่วง จนเกิดเป็นข้อสรุปของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ดึงดูดทั้งแอปเปิลให้ตกลงสู่พื้น และดึงดูดดวงจันทร์ให้โคจรรอบโลก

ต่อมาแนวคิดเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงและกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ อย่างการโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ การโคจรของดวงจันทร์ และ น้ำขึ้นน้ำลง

ส่วนในอวกาศ แรงโน้มถ่วง คือ แรงที่ดึงดูดระหว่างดาวเคราะห์ในระบบสุริยะหรือในอีกนัยหนึ่งมันคือแรงที่ดึงดูดสิ่งต่าง ๆ รอบตัวเข้าไปสู่ตัวมันเอง เข้าสู่ศูนย์กลางเมื่อมีการโคจร ซึ่งแรงดึงดูดนี้เองที่เป็นเหตุผลของการโคจรของ ดางเคราะห์ ดาวฤกษ์ ดาวหาง หรือ ขยะอวกาศรอบๆ ดวงอาทิตย์

แรงโน้มถ่วงทั้ง 4

แรงโน้มถ่วง หรือ ความโน้มถ่วง เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่ทำให้วัตถุกายภาพทั้งหมดดึงดูดเข้าหากัน ความโน้มถ่วงทำให้วัตถุกายภาพมีน้ำหนักและทำให้วัตถุตกสู่พื้นเมื่อปล่อย แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในสี่แรงหลัก ประกอบด้วย แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และ แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม ในจำนวนแรงทั้งสี่แรงหลัก แรงโน้มถ่วงมีค่าน้อยที่สุด

ทั้งนี้ แม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะเป็นแรงที่เราไม่สามารถรับรู้ได้มากนักเพราะความเบาบางของแรงที่กระทำต่อเรา แต่ก็เป็นแรงเดียวที่ยึดเหนี่ยวเราไว้กับพื้นโลก แรงโน้มถ่วงมีความแรงแปรผันตรงกับมวล และแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง ไม่มีการลดทอนหรือถูกดูดซับเนื่องจากมวลใด ๆ ทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่สำคัญมากในการยึดเหนี่ยวเอกภพไว้ด้วยกัน

อย่างไรก็ตาม นอกจากความโน้มถ่วงที่เกิดระหว่างมวลแล้ว ความโน้มถ่วงยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการที่เราเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เช่น การเพิ่มหรือลดความเร็วของวัตถุ การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ เป็นต้น ซึ่ง แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ ก่อให้เกิดเป็นพลังงานขึ้น

งานและพลังงาน

ระหว่างงาน กับ พลังงาน มีข้อแตกต่างกันคือ งาน เป็น ปริมาณของพลังงานที่เป็นผลมาจากแรงซึ่งกระทำต่อวัตถุ ก่อนส่งผลให้วัตถุดังกล่าวเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงได้ในระยะทางหนึ่ง โดยในระบบเอสไอ (SI) งานและพลังงานจะเป็นปริมาณสเกลาร์ (Scalar) มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร (N•m) หรือ จูล (J) ที่สามารถคำนวณได้จาก

ขณะที่ พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถในการทำงานของสิ่งมีชีวิต วัตถุ หรือสสารต่างๆ อาทิ การหายใจ การเคลื่อนที่ หรือการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร กระบวนการเหล่านี้สามารถดำเนินต่อไปได้เพราะพลังงานในธรรมชาติ โดยพลังงานนั้นเป็นปริมาณพื้นฐานของระบบที่ไม่มีวันสูญสลาย แต่สามารถเปลี่ยนไปอยู่ในรูปแบบต่าง ๆ ได้ ตาม กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Law of Conservation of Energy) เช่น พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานความร้อน หรือพลังงานไฟฟ้า เป็นต้น โดยพลังงานมีทั้งหมด 6 ประเภท ดังนี้

พลังงานเคมี (chemical encrgy)
พลังงานความร้อน (heat energy)
พลังงานกล (mechanical energy)
พลังงานไฟฟ้า (electrical energy)
พลังงานจากการแผ่รังสี (radiant nergy)
พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy)

สำหรับพลังงานที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงคือ พลังงานกล ที่สามารถแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบได้แก่ พลังงานจลน์ กับ พลังงานศักย์

พลังงานจลน์ กับ พลังงานศักย์

พลังงานจลน์ เป็นพลังงานที่ขึ้นกับความเร็วของวัตถุ วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วจะมีพลังงานจลน์ วัตถุที่อยู่นิ่งจะไม่มีพลังงานจลน์ สามารถคำนวณได้จาก Ek = ½ mv2

Ek คือ พลังงานจลน์ มีหน่วยเป็น นิวตันเมตร หรือ จูล (J)

m คือ มวล มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)

v คือ ความเร็ว มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m/s)

ด้าน พลังงานศักย์ คือพลังงานที่สะสมอยู่ในตัววัตถุซึ่งอาจถูกปลดปล่อยออกมาเป็นพลังงานรูปแบบอื่นๆได้ มี 2 ลักษณะคือ

– พลังงานศักย์โน้มถ่วง เป็นพลังงานที่สะสมไว้ในวัตถุขณะที่วัตถุอยู่ในที่สูงพร้อมที่จะหล่นหรือไหลสู่ที่ต่ำกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วงเกิดจากแรงดึงดูดของโลก (พลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นปริมาณสเกลาร์) พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุหรือความสูงในแนวดิ่ง ถ้าวัตถุมีมวลมากและอยู่สูงจากระดับอ้างอิงมาก วัตถุนั้นจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงมาก คำนวณได้จากสูตร Ep = mgh

Ep คือ พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็น นิวตันเมตร หรือ จูล (J)

m คือ มวล มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)

g คือ ความเร่งจากแรงโน้มถ่วงโลก มีค่าราว 9.8 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/s2)

h คือ ระยะความสูงของวัตถุ มีหน่วยเป็น เมตร (m)

พลังงานศักย์ยืดหยุ่น คือพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุที่มีความหยืดหยุ่น ซึ่งสะสมอยู่ในรูปของการหดตัว บิดเบี้ยว หรือโค้งงอ จากการได้รับแรงกระทำ ก่อนมีแรงดึงตัวกลับเพื่อคืนสู่สภาพเดิม อาทิ สปริง ขดลวด เป็นต้น

อนึ่ง พลังงานศักย์มีผลต่อสนามไฟฟ้า ค่าพลังงานศักย์ขึ้นอยู่กับขนาดของประจุทดสอบที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า หากจัดรูปของสมการใหม่ โดยนิยามค่าพลังงานศักย์ต่อหน่วยประจุทดสอบ เพื่อให้สมการไม่ขึ้นกับประจุที่อยู่ในสนามจะได้ปริมาณที่เป็นคุณสมบัติของต้นกําเนิดสนามที่เรียกว่า ความต่างศักย์ คือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ต่อหน่วยประจุได้

สืบค้นและเรียบเรียง สิทธิโชติ สุภาวรรณ์

ภาพจาก ILLUSTRATION BY AYA TSUBOI, KAVLI IPMU

ข้อมูลอ้างอิง

https://www.trueplookpanya.com/learning/detail/33968

https://www.scimath.org/article-physics/item/10630-2019-09-02-01-51-59

https://www.dek-d.com/board/view/3645095