แรงและการกระจัด

ทั้งแรงและการกระจัดเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งใช้ผลคูณจุดเพื่อคำนวณค่างานเชิงกลอันเป็นปริมาณสเกลาร์ ดังนี้

W = F ⋅ d = F d cos ⁡ ϕ {\displaystyle W=\mathbf {F} \cdot \mathbf {d} =Fd\cos \phi }

เมื่อ ϕ คือมุมระหว่างเวกเตอร์แรงและการกระจัด

แรงและมุมต้องเป็นค่าคงตัวจึงจะทำให้สูตรนี้ใช้งานได้ เส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุต้องเป็นเส้นตรงเส้นเดียว แม้ว่าวัตถุนั้นอาจเปลี่ยนทิศทางขณะเคลื่อนที่ไปบนเส้นตรงนั้น

ในสถานการณ์ที่แรงเปลี่ยนแปรตามเวลา หรือเส้นทางการเคลื่อนที่เบนออกจากเส้นตรง สูตรด้านบนจะใช้ไม่ได้กับสถานการณ์ทั่วไป แม้ว่าเราสามารถแบ่งการเคลื่อนที่ออกเป็นเส้นทางย่อย ๆ แต่การทำเช่นนั้นเราต้องประมาณแรงและการเคลื่อนที่ให้เป็นค่าคงตัวให้ดีในแต่ละส่วน จากนั้นจึงคำนวณผลรวมทุกส่วนออกมาเป็นงาน

นิยามทั่วไปของงานเชิงกลในรูปแบบปริพันธ์ตามเส้นว่าไว้ดังนี้

W C = ∫ C F ⋅ d s {\displaystyle W_{C}=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }

เมื่อ C คือเส้นทางหรือเส้นโค้งที่วัตถุเคลื่อนที่ F คือเวกเตอร์แรง และ s คือเวกเตอร์ตำแหน่ง

นิพจน์ δ W = F ⋅ d s {\displaystyle \delta W=\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} } เป็นอนุพันธ์ไม่ตายตัว (inexact differential) ซึ่งหมายความว่าการคำนวณ WC ขึ้นอยู่กับเส้นทางการเคลื่อนที่ และไม่สามารถหาอนุพันธ์เพื่อให้ได้ค่าของ F · ds

สูตรที่สองด้านบนเป็นการอธิบายว่าแรงที่ไม่เป็นศูนย์สามารถทำให้เกิดงานที่เป็นศูนย์ได้อย่างไร กรณีที่ง่ายที่สุดคือเมื่อแรงตั้งฉากกับทิศทางของการเคลื่อนที่ ซึ่งเกิดขึ้นในการเคลื่อนที่แบบวงกลม จะทำให้ปริพัทธ์ (integrand) ในสูตรเป็นศูนย์ตลอดเวลา อย่างไรก็ตาม แม้ว่าปริพัทธ์ไม่เป็นศูนย์ แต่ผลลัพธ์ของปริพันธ์ก็อาจเป็นศูนย์ได้เช่นกัน เพราะมันสามารถมีค่าได้ทั้งบวกและลบ

ความเป็นไปได้ของแรงที่ไม่เป็นศูนย์อันทำให้เกิดงานที่เป็นศูนย์ คือผลต่างระหว่างงานที่ได้กระทำกับปริมาณอื่นที่เกี่ยวข้อง เช่น การดล (impulse) เป็นปริพันธ์ของแรงที่แปรไปตามเวลา การดลเป็นตัวชี้วัดการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุ อันเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่ส่งผลต่อทิศทาง ในขณะที่งานจะพิจารณาเพียงขนาดของความเร็ว ตัวอย่างเช่น วัตถุชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่แบบวงกลม เคลื่อนที่ผ่านจุดครึ่งรอบ แรงสู่ศูนย์กลางที่จุดนั้นยังคงให้งานเป็นศูนย์ แต่การดลของมันไม่เป็นศูนย์

แรงบิดและการหมุน

คำนวณได้ดังนี้

W = τ θ {\displaystyle W=\tau \theta \;}

พลังงานกล

พลังงานกลของวัตถุ คือส่วนหนึ่งของพลังงานรวมซึ่งเปลี่ยนแปลงไปอันเนื่องมาจากงานเชิงกล พลังงานกลแบ่งเป็นพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ รูปแบบของพลังงานบางชนิดที่เป็นที่รู้จักแต่ไม่ถือว่าทำให้เกิดงานเช่น พลังงานความร้อน (สามารถเพิ่มขึ้นโดยงานจากแรงเสียดทาน แต่ไม่สามารถลดลงได้โดยง่าย) และพลังงานนิ่ง (เป็นค่าคงตัวตราบเท่าที่มวลยังคงสภาพอยู่เหมือนเดิม)

ถ้าแรงภายนอก F กระทำต่อวัตถุคงรูปชนิดหนึ่ง ซึ่งทำให้พลังงานจลน์ของวัตถุเปลี่ยนจาก Ek1 ไปเป็น Ek2 แล้ว [5]

W = Δ E k = E k 2 − E k 1 = 1 2 m v 2 2 − 1 2 m v 1 2 = 1 2 m Δ ( v 2 ) {\displaystyle \textstyle W=\Delta E_{k}=E_{k_{2}}-E_{k_{1}}={\frac {1}{2}}mv_{2}^{2}-{\frac {1}{2}}mv_{1}^{2}={\frac {1}{2}}m\Delta (v^{2})}

ผลลัพธ์เช่นนี้จึงสรุปได้ว่า งานที่เกิดจากแรงภายนอกกระทำต่อวัตถุแปรผันตรงกับผลต่างของกำลังสองของความเร็ว โปรดสังเกตว่าพจน์สุดท้ายของสมการคือ ∆ (v ²) มิใช่ (∆ v) ²

หลักการของกฎการอนุรักษ์พลังงานกล่าวว่า ถ้าระบบหนึ่งถูกกำหนดโดยแรงอนุรักษ์ (เช่นแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว) และ/หรือ ผลรวมของงานจากแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ พลังงานกลรวมจะยังมีค่าคงตัวตลอดกระบวนการ

ตัวอย่างเช่น ถ้าวัตถุหนึ่งที่มีมวลคงที่ตกอย่างอิสระ พลังงานรวมที่ตำแหน่ง 1 จะเท่ากับพลังงานรวมที่ตำแหน่ง 2

( E k + E p ) 1 = ( E k + E p ) 2 {\displaystyle (E_{k}+E_{p})_{1}=(E_{k}+E_{p})_{2}\!}

เมื่อ Ek คือพลังงานจลน์ และ Ep คือพลังงานศักย์

งานภายนอกระบบอาจเกิดขึ้นได้โดยแรงเสียดทานระหว่างระบบกับการเคลื่อนที่ หรือแรงไม่อนุรักษ์ภายในระบบ หรือพลังงานกลที่สูญหายไปกับความร้อน