Fizica conceptualăÎn articolele anterioare am vorbit despre pucuri. Acum să presupunem că aruncăm o piatră. Piatra se află iniţial în stare de repaus, dar apoi începe să se mişte. Aceasta pare a fi o violare a conservării energiei, pentru că o piatră în mişcare ar avea mai multă energie.

 

 

 

 

CUPRINS
1.4. Conservarea energiei (c. Energia cinetică şi energia potenţială)

Dar de fapt acesta este un exemplu puţin asemănător celui al buşteanului ce arde, părând că sfidează legea conservării masei. Lavoisier a realizat că există o a doua formă de masă, masa fumului, ce nu era luată în calcul, şi a dovedit experimental că masa se conservă.

În cazul pietrei ce cade avem două forme de energie. Prima este energia datorată mişcării în care se află, cunoscută sub numele de energie cinetică. A doua formă este un tip de energie pe care îl are pentru că interacţionează cu planeta Pământ prin gravitaţie, energie potenţială. Pământul şi piatra se atrag reciproc gravitaţional şi cu cât distanţa dintre ele este mai mare, cu atât energia potenţială este mai mare – puţin ca în cazul întinderii unui resort.

Unitatea în SI pentru energie este joulul (J), şi în acele unităţi, ridicarea unei mase de 1 kg la o înălţime de 1 m necesită 9,8 J de energie. Acest număr, 9,8 jouli pe metru pe kilogram, este o măsura a puterii gravitaţiei Pământului aproape de suprafaţa acestuia. Notăm acest număr, cunoscut drept acceleraţie gravitaţională, cu g şi îl rotunjim adesea la 10 pentru simplificarea calculelor.

Dacă ridici o piatră de un 1 kg la o înălţime de 1 m deasupra solului, renunţi la 9,8 J din energia ta, obţinută din mâncare şi o transformi în energie potenţială stocată în piatră. Dacă îi dai apoi drumul, energia aceasta începe să se transforme în energie cinetică, până când, atunci când piatră aproape că a atins solul, toată acea energie este energie cinetică. Acea energie cinetică se transformă apoi în căldură şi sunet când piatra atinge solul.

 



În limbaj algebric, formula energiei potenţiale este

Ep= mgh

unde m este masa corpului, g este acceleraţia gravitaţională, iar h este înălţimea obiectului.

Exemplul 5: O pârghie
Figura de mai jos înfăţişează două surori pe un balansoar. Cea din stângă are masa dublă, dar e la jumătatea distanţei de la centru la capăt. Nu este nevoie de nicio energie pentru a înclina leagănul. În acelaşi timp, sora sa din dreapta va cădea o distanţă de două ori mai mare, ceea ce va rezulta într-o descreştere a energiei egală, masa ei fiind de două ori mai mică. Cu simboluri, avem

(2m)gh


pentru energia potenţială primită de fata din stânga, şi

mg(2h)


pentru energia pierdută de cea din dreapta. Ambele sunt egale cu 2mgh, deci energia primită și energia pierdută sunt egale şi energia este conservată.


Balansoar
q / pârghie


Privind lucrurile într-un mod diferit, putem considera aceasta un exemplu al tipului de experiment pe care ar trebui să îl faceţi pentru a ajunge la ecuaţia Ep=mgh. Dacă nu am cunoaşte deja ecuaţia, experimentul ne-ar face să bănuim că ecuaţia include produsul masei şi al înălţimii (mh), acestea fiind proprietăţile ce le caracterizează pe cele două fete.

O dată ce avem  ecuaţia pentru una din formele de energie, putem determina ecuaţiile pentru alte forme de energie. Spre exemplu, dacă lăsăm să cadă o piatră şi îi măsurăm viteza finală, v, când atinge solul, vom şti câtă Ep a pierdut, deci ştim că atâta energie cinetică ar trebui să fi avut când se afla la viteza maximă. Aici sunt câteva rezultate imaginare ale unui astfel de experiment.


m (kg) v (m/s) energie (J)
1.00
1.00
0.50
1.00
2.00 2.00
2.00 1.00 1.00



Comparând prima linie cu cea de a doua, observăm că dublarea vitezei unui obiect nu îi dublează energia, ci i-o cvadruplează. Dacă le comparăm pe prima şi pe cea de a treia, pe de altă parte, observăm că dublarea masei doar dublează energia. Aceasta sugerează că energia cinetică este proporţională cu masa înmulţită cu pătratul vitezei, mv2, şi experimente ulterioare  stabilesc că aceasta este într-adevăr o regulă generală. Factorul de proporţionalitate este 0,5 datorită alcătuirii sistemului metric, astfel că energia cinetică a unui obiect aflat în mişcare este dată de relaţia


Formula energiei cinetice

Bidon

r / O demonstraţie clară a faptului că şi căldura este o formă de mişcare. Se toarnă o cantitate mică de apă clocotind într-un bidon gol, care se umple rapid cu aburi fierbinţi. Bidonul este apoi închis etanş şi în curând se deformează. Acest lucru poate fi explicat. Temperatura ridicată a aburilor reprezintă o viteză medie ridicată a mişcării haotice a moleculelor din compoziţia vaporilor. Înainte să fie închis bidonul, vaporii îl părăseau, dând la o parte moleculele de aer cu o viteză mai mică. Când cantitatea de vapori din bidon s-a micşorat, s-a atins un echilibru, forţa moleculelor de abur mai puţin dense deplasându-se cu viteză mare echilibrând forţa moleculelor de aer mai dense dar cu o viteză mai mică aflate în afara bidonului. Dar acesta a fost apoi închis, şi după o vreme aburul dinăuntru a ajuns la aceeaşi temperatura precum aerul dinafară. Forţa aburului rece, rarefiat, nu mai este suficientă pentru a echilibra forţa aerului rece, dar dens de afară, acest dezechilibru ducând la deformarea bidonului.