Până aici am menţionat mai multe forme de energie: cinetică, potenţială, căldura şi sunetul. Acest lucru ar putea provoca probleme, căci putem deveni destul de confuzi dacă nu realizăm că fiecare tip de energie este important în anumite situaţii.
CUPRINS
1.4. Conservarea energiei (d. Energia, în genere)
Spre exemplu, moneda aflată în rotaţie din figura s îşi pierde treptat energia cinetică, şi am putea crede că este violată conservarea energiei. Dar, când există frecare între două suprafeţe, aceasta produce căldură. Aşadar energia cinetică a monedei se transformă treptat în căldură.
s / Monedă ce se învârte, dar apoi încetineşte. Aţi putea crede că este violată conservarea energiei, dar nu este.
O modalitate de a face multitudinea de forme de energie să pară mai puţin înfricoşătoare este să înţelegem că multe forme de energie ce par diferite la prima vedere sunt de fapt una şi aceeaşi.
Un exemplu important este căldura, care reprezintă de fapt energia cinetică a moleculelor aflate într-o mişcare aleatorie. Aşadar, deşi credeam că sunt două forme de energie, este de fapt una singură.
Sunetul este de asemenea o formă a energiei cinetice: reprezintă vibraţia moleculelor de aer.
Acest tip de fuziune a diferitelor tipuri de energie este un proces aflat în desfăşurare de multă vreme în fizică, iar în acest moment am ajuns în punctul în care par să existe doar patru forme de energie:
1. energie cinetică
2. energie potenţială
3. energie electrică
4. energie nucleară
Nici măcar nu ne întâlnim cu energie nucleară în viaţa de zi cu zi (exceptând faptul că lumina solară este la origine energie nucleară), aşa că putem considera lista a avea doar trei itemi. Dintre aceştia trei, energia electrică este singura despre care nu am discutat încă. Interacţiunile dintre atomi sunt în general electrice, aşa că această formă de energie este responsabilă pentru chimie. Energia din mâncarea pe care o mâncaţi sau cea dintr-o canistră cu benzină, sunt forme ale energiei electrice.
Exemplul 6
Figura de mai jos ilustrează două rampe pe care se vor rostogoli două mingii. Comparaţi-le vitezele finale, când ajung în punctul B. Consideraţi frecarea neglijabilă.
t / exemplul 6
Fiecare minge pierde aceeaşi energie potenţială datorită micşorării distanţei faţă de Pământ, şi conservarea energiei spune că trebuie să obţină o cantitate egală de energie cinetică (minus puţină căldură cauzată de frecare). Mingile cad de la aceeaşi înălţime, deci vitezele lor finale trebuie să fie egale.
Exemplul 7: Cum au apărut stelele
Orion este constelaţia cel mai uşor de observat. O puteţi vedea iarna, chiar dacă locuiţi sub cerul luminos al unui oraş mare. Figura u ilustrează o caracteristică interesantă a unei părţi a cerului pe care o puteţi surprinde uşor cu un aparat foto obişnuit sau cu un binoclu. Cele trei stele de sus sunt centura lui Orion, iar ce se află în colţul din jos, stânga al imaginii este cunoscut drept sabia sa – dacă priviţi cu ochiul liber, par să fie doar încă trei stele care pur şi simplu nu sunt la fel de strălucitoare ca cele ce alcătuiesc centura. Dar steaua din mijloc a sabiei nu este de fapt o stea. Este un nor de gaz, cunoscut drept Nebuloasa Orion, care este în curs de dispariţie din cauza gravitaţiei. Precum skaterul aflat în cădere, gazul îşi pierde din energia potenţială. Rezultatele sunt foarte diferite, totuşi. Skateboardul este gândit în aşa fel încât frecările să fie minime, aşa că aproape toată energia potenţială pe care o pierde se transformă în energie cinetică şi foarte puţină în căldura. Pe de altă parte, gazele ce alcătuiesc nebuloasa curg şi se freacă unul de celălalt, aşadar majoritatea energiei potenţiale transformându-se în căldură. Acesta este procesul prin care apar stelele: într-un final centrul norului gazos se încălzeşte într-atât încât catalizează reacţii nucleare.
u / Constelaţia Orion
Exemplul 8: Ridicarea unei greutăţi
La sală ridicaţi o masă de 40 kg la o înălţime de 0,5 m. De câtă energie potenţială este nevoie? De unde vine acea energie?
Puterea acceleraţiei gravitaţionale este de 10 jouli pe metru, aşadar, după ce ridicaţi greutatea, energia sa potenţială va fi mai mare cu 10 x 40 x 0,5=200 jouli.
Energia se conservă, deci dacă greutatea primeşte energie gravitaţională, altceva din Univers pierde. Energia ce s-a consumat este cea a corpului vostru, care a provenit din mâncarea pe care aţi mâncat-o. Ne referim la aceasta drept „arderea caloriilor”, având în vedere faptul că în general energia conţinută de mâncare este exprimată în calorii, nu în jouli.
De fapt, corpul vostru consumă mai mult de 200 J de energie provenită din mâncare, pentru că nu este foarte eficient. Restul energiei se transformă în căldura, motiv pentru care veţi avea nevoie şi de un duş după ce vă antrenaţi. Putem rezuma aceasta prin
energie din mâncare -> energie potenţială + căldură
Exemplul 9: Coborârea unei greutăţi
După ce ridicăm o greutate, trebuie să o şi coborâm. Ce se întâmplă din punct de vedere energetic? Corpul vostru nu poate prelua energie şi să o restocheze. Energia potenţială se transformă complet în căldură. (Nu există nimic fundamental în legile fizicii care să împiedice aceasta. Maşinile electrice o pot face – când te opreşti la un stop, energia cinetică a maşinii este absorbită de baterie, printr-un generator.)
Exemplul 10: Absorbţia şi emisia luminii
Lumina are energie. Lumina poate fi absorbită de materie şi transformată în căldură, dar procesul invers este de asemenea posibil: un obiect poate să emită lumină, transformând parte din căldura sa în lumină. Obiectele foarte calde, precum flacăra unei lumânări sau un suflai de sudură, vor fi vizibile, precum se întâmplă în figura v.
v / Sudură
Obiectele aflate la temperaturi mai scăzute vor emite de asemenea lumină, dar în partea de infraroşu a spectrului, adică partea curcubeului aflată după culoarea roşie, imperceptibilă omului. Fotografiile din figura w au fost surprinse cu un aparat cu infraroşu. Biciclistul a apăsat brusc pe frâna din spate şi s-a oprit prin alunecare. Energia cinetică a bicicletei şi a corpului său sunt transformate rapid în căldură prin frecarea dintre roată şi sol. În prima parte, puteţi vedea lumina porţiunii încălzite a solului, iar în cea de a doua, pe cea a roţii.
w / exemplul 10
Exemplul 11: Obiectele mai grele nu cad mai repede decât cele mai uşoare
Ridicaţi-vă, scoateţi-vă un pantof şi lăsaţi-l să cadă alături de un obiect mult mai puţin masiv precum o monedă sau capacul de la stilou.
Sunteţi surprins? Aţi descoperit că ambele ating solul în acelaşi timp. Aristotel a scris că obiectele mai grele cad mai repede decât cele mai uşoare. S-a înşelat, însă europenii l-au crezut pentru mii de ani, în parte pentru că experimentele nu erau o metodă acceptată de determinare şi în parte pentru că Biserica Catolică îl numise filozoful său oficial.
Obiectele grele şi obiectele uşoare cad în acelaşi mod, pentru că legile conservării sunt aditive – descoperim energia totală a unui obiect însumând energiile tuturor atomilor săi. Dacă un singur atom cade de la o înălţime de un metru, pierde o anumită cantitate de energie potenţială şi primeşte cantitatea corespunzătoare de energie cinetică. Energia cinetică depinde de viteză, aşadar aceasta determină cât de repede se va mişca obiectul la finalul căderii de 1 metru. (Acelaşi raţionament s-ar putea aplica oricărui punct între 0 metri şi unu).
Dar dacă lipim doi atomi? Perechea are o masă dublă, aşadar cantitatea de energie potenţială ce se transformă în energie cinetică este dublă. Dar energia cinetică dublă este exact ce ne trebuie ca perechea de atomi să aibă aceeaşi viteză pe care a avut-o atomul singur. Continuând acest raţionament, nu contează câţi atomi va avea un obiect; va avea aceeaşi viteză ca orice alt obiect dacă vă cădea de la aceeaşi înălţime.
