พิมพ์คำที่ต้องการค้นหา ทั้งภาษาไทยและอังกฤษ

  1. หน้าแรก
  2. คลังความรู้
  3. อนุพันธ์
  4. การประยุกต์

// บทที่ 4.1 · อนุพันธ์ · Engineering Applications

การประยุกต์อนุพันธ์ทางวิศวกรรมไฟฟ้า เครื่องกล และโยธา

อนุพันธ์ไม่ใช่แค่แบบฝึกหัดในห้อง ทุกสาขาวิศวกรรมใช้มันทุกวัน: วิศวกรไฟฟ้าใช้หากระแสในตัวเก็บประจุและแรงดันกระชากของขดลวด วิศวกรเครื่องกลใช้หาความเร็วและความเร่งของกลไก วิศวกรโยธาใช้อ่านความชันและโมเมนต์ของคาน และทุกสาขาใช้หาจุดที่ดีที่สุด หน้านี้แยกตามสาขา ทุกตัวอย่างมีตัวเลขจริงและแล็บให้ลอง สูตรใช้รหัส A

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต
สรุปใน 30 วินาที
  • ไฟฟ้า: i=Cdvdti = C\frac{dv}{dt}, v=Ldidtv = L\frac{di}{dt}, e=−NdΦdte = -N\frac{d\Phi}{dt}, กำลังสูงสุดเมื่อ RL=RsR_L = R_s
  • เครื่องกล: v=x˙, a=v˙v = \dot x,\ a = \dot v, q=−kdTdxq = -k\frac{dT}{dx}, P=TωP = T\omega สูงสุดที่ครึ่งความเร็วไร้โหลด
  • โยธา: V=dMdxV = \frac{dM}{dx}, θ=dydx\theta = \frac{dy}{dx}, M=EId2ydx2M = EI\frac{d^2y}{dx^2} โมเมนต์สูงสุดที่ V = 0
  • ทุกสาขา: ค่าเหมาะสมอยู่ที่อนุพันธ์ = 0 และความคลาดเคลื่อน dy=f′(x)dxdy = f'(x)dx

วิศวกรรมไฟฟ้า: C, L, ฟาราเดย์ และกำลัง พื้นฐาน

A1 Capacitor ตัวเก็บประจุ

iC=CdvCdti_C = C\frac{dv_C}{dt}

แรงดันคงที่ → ไม่มีกระแส (DC เปิดวงจร) · แรงดันกระโดด → กระแสอนันต์ จึงเป็นไปไม่ได้

A2 Inductor ตัวเหนี่ยวนำ

vL=LdiLdtv_L = L\frac{di_L}{dt}

กระแสคงที่ → ไม่มีแรงดัน (DC ลัดวงจร) · ตัดกระแสเร็ว → แรงดันกระชากสูงมาก

A3 Faraday's law กฎของฟาราเดย์

e=−NdΦdt=−dλdte = -N\frac{d\Phi}{dt} = -\frac{d\lambda}{dt}

A4 Maximum power transfer ถ่ายโอนกำลังสูงสุด

P=Vs2RL(Rs+RL)2,dPdRL=0⇒RL=Rs, Pmax⁡=Vs24RsP = \frac{V_s^2R_L}{(R_s + R_L)^2},\quad \frac{dP}{dR_L} = 0 \Rightarrow R_L = R_s,\ P_{\max} = \frac{V_s^2}{4R_s}

A5 Small-signal resistance ความต้านทานพลวัต

rd=dVDdID=nVTIDr_d = \frac{dV_D}{dI_D} = \frac{nV_T}{I_D}

ความชันของกราฟ I-V ที่จุดทำงาน = การประมาณเชิงเส้น D30

A6 Sensitivity ความไว

Sxy=∂y∂x⋅xy≈Δy/yΔx/xS_x^y = \frac{\partial y}{\partial x}\cdot\frac{x}{y} \approx \frac{\Delta y/y}{\Delta x/x}
ตัวอย่าง A-1 · กระแสตัวเก็บประจุ

v(t)=10sin⁡(100πt)v(t) = 10\sin(100\pi t) V คร่อม C=10 μFC = 10\ \mu\text{F} หา i(t)i(t)

  1. i=Cdvdt=10×10−6⋅10⋅100πcos⁡(100πt)=0.0314cos⁡(100πt) Ai = C\frac{dv}{dt} = 10\times10^{-6}\cdot 10\cdot100\pi\cos(100\pi t) = 0.0314\cos(100\pi t)\ \text{A}

ยอด 31.4 mA และกระแสนำหน้าแรงดัน 90° (cos นำ sin) ตรงกับ XC=1/(ωC)=318 ΩX_C = 1/(\omega C) = 318\ \Omega: 10/318=31.410/318 = 31.4 mA ✓

ตัวอย่าง A-2 · แรงดันกระชากของรีเลย์

ขดลวด L=50L = 50 mH มีกระแส 2 A (ก) เพิ่มกระแสจาก 0 ถึง 2 A ใน 1 ms (ข) ตัดกระแสเหลือ 0 ใน 10 µs

  1. (ก) v=0.05×210−3=100v = 0.05\times\dfrac{2}{10^{-3}} = 100 V

  2. (ข) v=0.05×210−5=10,000v = 0.05\times\dfrac{2}{10^{-5}} = 10{,}000 V

ตัดเร็วขึ้น 100 เท่า แรงดันสูงขึ้น 100 เท่าเป็น 10 kV จึงต้องมีไดโอดฟรีวีลคร่อมขดลวดเสมอ

ตัวอย่าง A-3 · กฎของฟาราเดย์ในหม้อแปลง

ฟลักซ์ Φ=0.02sin⁡(100πt)\Phi = 0.02\sin(100\pi t) Wb ผ่านขดลวด 100 รอบ หาแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำ

  1. e=−NdΦdt=−100⋅0.02⋅100πcos⁡(100πt)=−628.3cos⁡(100πt) Ve = -N\frac{d\Phi}{dt} = -100\cdot0.02\cdot100\pi\cos(100\pi t) = -628.3\cos(100\pi t)\ \text{V}

ยอด 628 V (RMS ≈ 444 V) ตรงกับสมการหม้อแปลง Erms=4.44fNΦm=4.44(50)(100)(0.02)=444E_{\text{rms}} = 4.44fN\Phi_m = 4.44(50)(100)(0.02) = 444 V ✓ — 4.44 มาจาก 2π/22\pi/\sqrt2 ซึ่งได้จากการหาอนุพันธ์

ตัวอย่าง A-4 · ถ่ายโอนกำลังสูงสุด

แหล่งจ่าย 12 V ความต้านทานภายใน 4 Ω ต่อโหลด RLR_L หาค่าที่ได้กำลังสูงสุด

  1. P=144RL(4+RL)2,dPdRL=144(4+RL)−2RL(4+RL)3=144(4−RL)(4+RL)3P = \frac{144R_L}{(4 + R_L)^2},\quad \frac{dP}{dR_L} = 144\frac{(4 + R_L) - 2R_L}{(4 + R_L)^3} = \frac{144(4 - R_L)}{(4 + R_L)^3}
  2. dP/dRL=0⇒RL=4 ΩdP/dR_L = 0 \Rightarrow R_L = 4\ \Omega (ก่อนหน้าเป็นบวก หลังเป็นลบ → สูงสุด)

    Pmax⁡=144⋅464=9 WP_{\max} = \frac{144\cdot4}{64} = 9\ \text{W}

RL=4 ΩR_L = 4\ \Omega, Pmax⁡=9P_{\max} = 9 W ประสิทธิภาพตอนนั้นแค่ 50% ระบบไฟฟ้ากำลังจึงไม่ทำงานที่จุดนี้ แต่วงจรสื่อสารและสายอากาศจับคู่ให้ได้กำลังสูงสุด

ตัวอย่าง A-5 · ความต้านทานสัญญาณเล็กและความไว

(ก) ไดโอดทำงานที่ ID=1I_D = 1 mA, nVT=26nV_T = 26 mV หา rdr_d (ข) วงจรแบ่งแรงดัน R1=R2R_1 = R_2 ถ้า R2R_2 คลาด 1% VoV_o คลาดเท่าไร

  1. (ก) rd=26 mV/1 mA=26 Ωr_d = 26\text{ mV}/1\text{ mA} = 26\ \Omega

  2. (ข) Vo=ViR2R1+R2V_o = V_i\dfrac{R_2}{R_1 + R_2}: S=∂Vo∂R2R2Vo=R1R1+R2=0.5S = \dfrac{\partial V_o}{\partial R_2}\dfrac{R_2}{V_o} = \dfrac{R_1}{R_1 + R_2} = 0.5

(ก) 26 Ω · (ข) 0.5% — ความไวบอกว่าควรใช้ตัวต้านทานเกรดไหน

วิศวกรรมเครื่องกล: การเคลื่อนที่ กลไก ความร้อน และกำลัง กลาง

A7 Kinematics จลนศาสตร์

v=dxdt,a=dvdt=d2xdt2,a=vdvdxv = \frac{dx}{dt},\quad a = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2},\quad a = v\frac{dv}{dx}

A8 Slider–crank ข้อเหวี่ยง-ก้านสูบ

x(θ)=rcos⁡θ+l2−r2sin⁡2θ,v=ωdxdθ,a≈−rω2(cos⁡θ+rlcos⁡2θ)x(\theta) = r\cos\theta + \sqrt{l^2 - r^2\sin^2\theta},\quad v = \omega\frac{dx}{d\theta},\quad a \approx -r\omega^2\left(\cos\theta + \frac rl\cos2\theta\right)

A9 Newton's second law

F=dpdt=mdvdt (m คงที่)F = \frac{dp}{dt} = m\frac{dv}{dt}\ (m \text{ คงที่})

A10 Fourier's law การนำความร้อน

q=−kdTdx  (W/m2)q = -k\frac{dT}{dx}\ \ (\text{W/m}^2)

A11 Motor power กำลังของมอเตอร์ DC

T=T0(1−ωω0), P=Tω⇒Pmax⁡=T0ω04 ที่ ω=ω02T = T_0\left(1 - \frac{\omega}{\omega_0}\right),\ P = T\omega \Rightarrow P_{\max} = \frac{T_0\omega_0}{4}\ \text{ที่ } \omega = \frac{\omega_0}{2}
ตัวอย่าง A-6 · ตำแหน่ง ความเร็ว ความเร่ง

x(t)=2t3−9t2+12tx(t) = 2t^3 - 9t^2 + 12t m หาเวลาที่หยุดนิ่งและเวลาที่ความเร่งเป็นศูนย์

  1. v=6t2−18t+12=6(t−1)(t−2)=0⇒t=1, 2 sv = 6t^2 - 18t + 12 = 6(t - 1)(t - 2) = 0 \Rightarrow t = 1,\ 2\ \text{s}
  2. a=12t−18=0⇒t=1.5 sa = 12t - 18 = 0 \Rightarrow t = 1.5\ \text{s}

หยุดที่ t = 1 s (x = 5 m) และ t = 2 s (x = 4 m) ถอยหลังในช่วง 1–2 s · ความเร่งเปลี่ยนเครื่องหมายที่ 1.5 s (จุดเปลี่ยนเว้าของ x(t))

ตัวอย่าง A-7 · ลูกสูบ

r=5r = 5 cm, l=15l = 15 cm หมุน 600 rpm หาความเร็วลูกสูบที่ θ=90∘\theta = 90^\circ และความเร่งที่ θ=0∘\theta = 0^\circ

  1. ω=600⋅2π/60=62.83\omega = 600\cdot2\pi/60 = 62.83 rad/s · dxdθ=−rsin⁡θ−r2sin⁡θcos⁡θl2−r2sin⁡2θ\dfrac{dx}{d\theta} = -r\sin\theta - \dfrac{r^2\sin\theta\cos\theta}{\sqrt{l^2 - r^2\sin^2\theta}} ที่ 90°: =−5= -5 cm/rad

    v=−5×62.83=−314 cm/s=−3.14 m/sv = -5\times62.83 = -314\ \text{cm/s} = -3.14\ \text{m/s}
  2. ที่ 0°: a=−rω2(1+r/l)=−5(3948)(1.333)=−26,319a = -r\omega^2(1 + r/l) = -5(3948)(1.333) = -26{,}319 cm/s²

∣v∣=3.14|v| = 3.14 m/s ที่ 90° · ∣a∣≈263|a| \approx 263 m/s² ≈ 27 g ที่ศูนย์ตายบน ความเร่งนี้คูณมวลลูกสูบคือแรงที่ก้านสูบต้องรับ

ตัวอย่าง A-8 · ความร้อนผ่านผนัง และกำลังมอเตอร์

(ก) ผนัง k=0.8k = 0.8 W/m·K หนา 0.2 m ด้านใน 30 °C ด้านนอก 20 °C (ข) มอเตอร์ T0=2T_0 = 2 N·m, ω0=300\omega_0 = 300 rad/s

  1. (ก) อุณหภูมิลดลงเชิงเส้น dT/dx=−10/0.2=−50dT/dx = -10/0.2 = -50 K/m → q=−0.8(−50)=40q = -0.8(-50) = 40 W/m²

  2. (ข) P=2ω−2300ω2P = 2\omega - \tfrac{2}{300}\omega^2, dP/dω=2−4300ω=0⇒ω=150dP/d\omega = 2 - \tfrac{4}{300}\omega = 0 \Rightarrow \omega = 150 rad/s, P=150P = 150 W

(ก) 40 W/m² · (ข) กำลังสูงสุด 150 W ที่ 150 rad/s (≈ 1432 rpm) ครึ่งหนึ่งของความเร็วไร้โหลด

วิศวกรรมโยธา: คาน ถนน รางน้ำ และงานสำรวจ กลาง

A12 Beam relations ความสัมพันธ์ของคาน

dVdx=−w(x),dMdx=V(x),θ=dydx,EId2ydx2=M(x)\frac{dV}{dx} = -w(x),\qquad \frac{dM}{dx} = V(x),\qquad \theta = \frac{dy}{dx},\qquad EI\frac{d^2y}{dx^2} = M(x)

อนุพันธ์ไล่จากการโก่งขึ้นไปหาน้ำหนัก ส่วนการอินทิเกรตไล่ลงมา ดูแล็บคานในหน้าอินทิกรัล

A13 Vertical curve โค้งทางดิ่งแบบพาราโบลา

y=g1x+g2−g12Lx2,y′=0⇒x=g1Lg1−g2y = g_1x + \frac{g_2 - g_1}{2L}x^2,\quad y' = 0 \Rightarrow x = \frac{g_1L}{g_1 - g_2}

A14 Best rectangular channel หน้าตัดรางน้ำดีที่สุด

P=Ay+2y,dPdy=0⇒b=2yP = \frac{A}{y} + 2y,\quad \frac{dP}{dy} = 0 \Rightarrow b = 2y
ตัวอย่าง A-9 · โมเมนต์สูงสุดของคาน

คานช่วงเดียว L=6L = 6 m รับน้ำหนักแผ่ w=10w = 10 kN/m หาโมเมนต์ดัดสูงสุด

  1. แรงปฏิกิริยา wL/2=30wL/2 = 30 kN · M(x)=30x−5x2M(x) = 30x - 5x^2

  2. dMdx=30−10x=V(x)=0⇒x=3\dfrac{dM}{dx} = 30 - 10x = V(x) = 0 \Rightarrow x = 3 m (กลางคาน) A12

    Mmax⁡=30(3)−5(9)=45 kN⋅m=wL28M_{\max} = 30(3) - 5(9) = 45\ \text{kN}\cdot\text{m} = \frac{wL^2}{8}

45 kN·m ที่กลางคาน ตรงจุดที่แรงเฉือนเป็นศูนย์

ตัวอย่าง A-10 · ความชันที่ฐานและการโก่งสูงสุด

คานเดิม EI=20,000EI = 20{,}000 kN·m² เส้นโก่ง y=−wx24EI(L3−2Lx2+x3)y = -\dfrac{wx}{24EI}\left(L^3 - 2Lx^2 + x^3\right)

  1. θ=y′=−w24EI(L3−6Lx2+4x3)\theta = y' = -\dfrac{w}{24EI}\left(L^3 - 6Lx^2 + 4x^3\right) ที่ฐาน x=0x = 0:

    θ0=−wL324EI=−10(216)480,000=−0.0045 rad\theta_0 = -\frac{wL^3}{24EI} = -\frac{10(216)}{480{,}000} = -0.0045\ \text{rad}
  2. โก่งสูงสุดที่ θ=0\theta = 0 คือ x=L/2x = L/2 (สมมาตร)

    ymax⁡=−5wL4384EI=−5(10)(1296)7,680,000=−8.44 mmy_{\max} = -\frac{5wL^4}{384EI} = -\frac{5(10)(1296)}{7{,}680{,}000} = -8.44\ \text{mm}

θ ที่ฐาน 0.0045 rad (0.26°) · โก่ง 8.44 mm ≈ L/711 ผ่านเกณฑ์ทั่วไป L/360

ตัวอย่าง A-11 · จุดสูงสุดของโค้งทางดิ่ง

ทางขึ้นลาด +3% เปลี่ยนเป็นลง −2% ด้วยโค้งยาว 200 m จุดสูงสุดอยู่ที่ใด

  1. y′=0.03+−0.02−0.03200x=0⇒x=0.03(200)0.05=120 my' = 0.03 + \frac{-0.02 - 0.03}{200}x = 0 \Rightarrow x = \frac{0.03(200)}{0.05} = 120\ \text{m}
  2. y(120)=0.03(120)−0.05400(120)2=3.6−1.8=1.8 my(120) = 0.03(120) - \frac{0.05}{400}(120)^2 = 3.6 - 1.8 = 1.8\ \text{m}

ที่ 120 m จากจุดเริ่มโค้ง สูงกว่าจุดเริ่ม 1.8 m (ตำแหน่งท่อระบายน้ำและระยะมองเห็น)

ตัวอย่าง A-12 · รางน้ำและงานสำรวจ

(ก) รางสี่เหลี่ยมพื้นที่หน้าตัด 8 m² ขนาดใดใช้วัสดุบุน้อยสุด (ข) วัดรัศมีลานวงกลม 50 m คลาด ±0.05 m พื้นที่คลาดเท่าไร

  1. (ก) dPdy=−8y2+2=0⇒y=2\dfrac{dP}{dy} = -\dfrac{8}{y^2} + 2 = 0 \Rightarrow y = 2 m, b=4b = 4 m, P=8P = 8 m A14

  2. (ข) dA=2πr dr=2π(50)(0.05)=15.7dA = 2\pi r\,dr = 2\pi(50)(0.05) = 15.7 m² (สัมพัทธ์ 2 dr/r=0.2%2\,dr/r = 0.2\%)

(ก) กว้าง 4 m ลึก 2 m · (ข) ±15.7 m² จากพื้นที่ 7,854 m²

แล็บออกแบบให้เหมาะสมที่สุด (ทุกสาขา)

ห้าโจทย์คลาสสิกจากสามสาขา ลากจุดบนกราฟบนเพื่อเปลี่ยนค่า x กราฟล่างคืออนุพันธ์ จุดที่ดีที่สุดอยู่ตรงที่อนุพันธ์ข้ามแกนศูนย์ทุกโจทย์ วิธีคิดเหมือนกันหมด: เขียนปริมาณที่ต้องการให้เป็นฟังก์ชันของตัวแปรเดียว หาอนุพันธ์ ตั้งเท่ากับศูนย์ แล้วตรวจว่าเป็นสูงสุดหรือต่ำสุด

ตัวอย่าง A-13 · กระป๋องใช้วัสดุน้อยสุด

กระป๋องทรงกระบอกปิดหัวท้าย ปริมาตร 1 ลิตร (1000 cm³) ใช้แผ่นโลหะน้อยที่สุดเมื่อมีขนาดเท่าใด

  1. πr2h=1000⇒h=1000πr2\pi r^2h = 1000 \Rightarrow h = \dfrac{1000}{\pi r^2} · พื้นที่ผิว A=2πr2+2πrh=2πr2+2000rA = 2\pi r^2 + 2\pi rh = 2\pi r^2 + \dfrac{2000}{r}

  2. A′(r)=4πr−2000r2=0⇒r3=500π⇒r=5.42 cmA'(r) = 4\pi r - \frac{2000}{r^2} = 0 \Rightarrow r^3 = \frac{500}{\pi} \Rightarrow r = 5.42\ \text{cm}
  3. A′′(r)=4π+4000/r3>0A''(r) = 4\pi + 4000/r^3 > 0 → ต่ำสุด · h=1000/(π⋅5.422)=10.84h = 1000/(\pi\cdot5.42^2) = 10.84 cm

r=5.42r = 5.42 cm, h=10.84h = 10.84 cm คือ h=2rh = 2r: สูงเท่าเส้นผ่านศูนย์กลาง

อ่านต่อ

คำถามที่พบบ่อย

วิศวกรไฟฟ้าใช้อนุพันธ์ทำอะไรบ่อยที่สุด?

ความสัมพันธ์ของตัวเก็บประจุ i=C dv/dti = C\,dv/dt และตัวเหนี่ยวนำ v=L di/dtv = L\,di/dt ซึ่งทำให้วงจร RC RL RLC เป็นสมการเชิงอนุพันธ์ กฎของฟาราเดย์ในหม้อแปลงและมอเตอร์ และการหาค่าเหมาะสม เช่นการถ่ายโอนกำลังสูงสุด

ทำไมรีเลย์ต้องมีไดโอดคร่อม?

เพราะเมื่อตัดกระแสในขดลวดทันที di/dtdi/dt มีค่ามาก แรงดัน v=L di/dtv = L\,di/dt จึงพุ่งเป็นพันโวลต์และทำลายทรานซิสเตอร์ที่ขับ ไดโอดฟรีวีลให้ทางกระแสไหลต่อจนค่อย ๆ ลดลง

ทำไมโมเมนต์ดัดสูงสุดของคานอยู่ตรงที่แรงเฉือนเป็นศูนย์?

เพราะ dM/dx=VdM/dx = V โมเมนต์มีค่าสุดขีดตรงที่อนุพันธ์เป็นศูนย์ คือที่แรงเฉือนเปลี่ยนเครื่องหมาย หลักเดียวกับการหาค่าสูงสุดของฟังก์ชันใด ๆ

อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์