پایستگی انرژی

پایستگی انرژی

برای مفهوم رابطه مستقیم داشتن یا رابطه غیرمستقیم(معکوس) داشتن یک مثال بزنم کامل بفهمید.

2=2 درسته؟ دو طرف مساوی یکی هستند حالا اگر به یک سمت این مساوی ی عدد اضافه کنیم مثلا اینطوری2=2+4 حالا برای اینکه اینا مساوی بمونن باید اونطرف مساوی هم زیاد بشه دیگه. پس یعنی دو طرف مساوی با هم رابطه مستقیم دارن یکی زیاد بشه اون یکی هم زیاد میشه. حالا اگر یک طرف مساوی عدد باشه و طرف دیگه کسر، صورت کسر با عدد طرف مقابل رابطه مستقیم داره، اما مخرج کسره با عدد طرف مقابل مساوی رابطه معکوس دارد که کامل توضیح دادم. یکم تمرین کنید راحت متوجه میشید!!!

مقدار کل انرژی همیشه، ثابت می ماند.

وقتی توپی را به سمت بالا پرتاب می کنیم، انرژی شیمیایی ذخیره شده در بدن ما به انرژی جنبشی و پتانسیل گرانشی توپ تبدیل می شود. حتی در یک فعالیت ساده هم چندین تبدیل انرژی وجود دارد.

نیروی مقاومت هوا (یا اصطکاک هوا) جلوی پرتاب شدن توپ را می‌گیرد چون:

1- جهت مخالف حرکت توپ دارد:

   وقتی توپ را پرتاب می‌کنی، توپ در هوا جلو می‌رود. هوا در مسیر حرکت توپ مقاومت می‌کند و نیرویی در جهت مخالف حرکت به توپ وارد می‌کند.

   یعنی اگر توپ به بالا برود، مقاومت هوا به سمت پایین است؛  اگر به جلو برود، مقاومت هوا به عقب است.

2- انرژی و سرعت توپ را کم می‌کند:

   این نیرو بخشی از انرژی جنبشی توپ را به گرما در هوا تبدیل می‌کند، در نتیجه توپ آهسته‌تر می‌شود و زودتر سقوط می‌کند.

3-  با نیروی گرانش زمین(نیروی وزن) همراه می‌شود:

   گرانش زمین توپ را به پایین می‌کشد، مقاومت هوا هم از بالا (در جهت مخالف حرکت) فشار می‌آورد. ترکیب این دو باعث می‌شود توپ نتواند زیاد بالا برود و زودتر توقف کند و برگردد.

به بیان ساده: هوا جلوی حرکت سریع اجسام را می‌گیرد. وقتی توپ حرکت می‌کند، هوا باید کنار برود. اما هوا از ذرات خیلی ریز تشکیل شده (مولکول‌ها)، و این ذرات: جا نمی‌گذارند توپ راحت رد شود ، باید کنار زده شوند ، با توپ برخورد می‌کنند. وقتی توپ با مولکول‌های هوا برخورد می‌کند، این برخوردها نیرو ایجاد می‌کند. این نیرو همیشه در جهت مخالف حرکت توپ است.

پس دلیل اینکه «جلوی حرکت توپ را می‌گیرد» این است که: 1- توپ مولکول‌های هوا را هل می‌دهد. 2- هوا هم مطابق قانون سوم نیوتن توپ را هل می‌دهد (برخوردها). 3- این هل‌دادن در جهت مخالف حرکت توپ است پس سرعتش را کم می‌کند.

بنابراین: هوا قصد خاصی ندارد، ولی چون از ذرات تشکیل شده، برخورد این ذرات با توپ باعث می‌شود توپ کند شود. اگر توپ را در خلأ (جایی که هوا نیست) پرتاب کنی، هیچ مقاومتی وجود ندارد و توپ خیلی بیشتر و راحت‌تر می‌رود. 

چرا در فضا مقاومت هوا نیست؟

فضا تقریباً خلأ است. یعنی تعداد مولکول‌های هوا (یا هر گاز دیگری) بسیار بسیار کم است. وقتی مولکولی نباشد که به جسم برخورد کند، نیروی مقاومتی هم وجود ندارد.

به همین دلیل: موشک‌ها، ماهواره‌ها و سفینه‌ها وقتی وارد فضا می‌شوند، بدون کاهش سرعت به حرکت ادامه می‌دهند. اگر چیزی را هل بدهی و رها کنی، تقریباً تا ابد با همان سرعت حرکت می‌کند.

اگر در هر ثانیه انرژی الکتریکی 10 ژول به یک لامپ روشنایی بدهد، باید در هر ثانیه همان مقدار انرژی نورانی و گرمایی از لامپ خارج شود.(1 ژول نورانی، 9 ژول گرمایی)

قانون پایستگی انرژی: بررسی انواع انرژی و تبدیل آنها از شکلی به شکل دیگر باعث کشف این قانون بزرگ فیزیک شد که تاکنون هیچ استثنایی برای آن دیده نشده است.

این قانون می گوید: انرژی هرگز به وجود نمی آید یا از بین نمی رود، تنها شکل آن تغییر می کند و مقدار کل آن ثابت می ماند.

مثلا اگر با سوختن هر گرم بنزین در خودرو، 45000 ژول انرژی آزاد شود و 15000 ژول به انرژی جنبشی تبدیل شده و باعث حرکت خودرو شده پس 30000 ژول آن به صورت انرژی گرمایی هدر می رود.

هدر رفتن انرژی گرمایی یعنی چی اصطکاک لاستیک با آسفالت چی؟ 

چون هیچ سطحی کاملاً صاف نیست  حتی اگر یک چیزی براق به‌نظر برسد، در مقیاس میکروسکوپی یا همون زیر میکروسکوپ پر از:  برجستگی، فرورفتگی، لبه، دندانه‌های ریز است.

وقتی دو سطح روی هم می‌لغزند یا حرکت می کنند، این ناهمواری‌ها به هم گیر می‌کنند و برای جدا شدن نیرو لازم است. این مقاومت همان اصطکاک است.

در طبیعت انتقال حرکت همیشه با مقداری مقاومت همراه است.

اصطکاک شکلی از همین مقاومت است. وقتی سطوح حرکت می‌کنند: بعضی مولکول‌ها کشیده می‌شوند، بعضی خم می‌شوند، بعضی پاره می‌شوند و این تغییرات همگی انرژی جذب می‌کنند که انرژی گرفته‌شده به گرما تبدیل می‌شود.

اگر اصطکاک نبود چه می‌شد؟  فهمیدن فوایدش کمک می‌کند دلیل وجودش را بهتر درک کنیم:

می‌توانستیم راه برویم (پا لیز می‌خورد) ، خودرو نمی‌توانست حرکت کند یا ترمز کند ، هیچ وسیله‌ای نمی‌توانست چیزی را بگیرد. بدون اصطکاک هیچ چیز پایدار نبود؛ همه‌چیز مثل روی یخ فوق‌العاده لیز رفتار می‌کرد. پس از نگاه طبیعی، اصطکاک برای عملکرد جهان ضروری است.

جمع‌بندی، سطح‌ها ناهموارند، مولکول‌ها یکدیگر را جذب می‌کنند، حرکت در مواد همیشه با مقاومت همراه است  و ترکیب این سه عامل باعث ایجاد پدیده‌ای به نام اصطکاک می‌شود.

چرا اصطکاک انرژی را به گرما تبدیل می‌کند؟

چون سطح‌ها کاملاً صاف نیستند.

برآمدگی‌ها و زبری‌های بسیار ریز مثل دندانه‌ها به هم گیر می‌کنند و هنگام حرکت: کنده می‌شوند ، خم می‌شوند، می‌لغزند.

همین فرآیندها باعث افزایش جنبش مولکول‌ها و در نتیجه تولید گرما می‌شود.

بریم سراغ نکته مفهومی آخر:

وقتی دیوار را هل می‌دی: 

 دیوار جابجا نمی‌شود چون جابه جایی صفره!

اما در بدن تو چه اتفاقی می‌افتد؟

- عضلات یا ماهیچیه ها در حال فعالیت هستن و فشار میارن به دیوار؛ هی انرژی داره مصرف میشه و این انرژی به گرما در عضلات و بدن تبدیل می‌شه!!!

در نتیجه درسته دیوار تکون نمیخوره اما قانون پایستگی انرژی کاملاً حفظ می‌شود؛ فقط انرژی به صورت گرما تبدیل شده، نه به صورت انجام کار روی دیوار.