انرژی؛ سوخت جهان ما
انرژی چیست و چرا مهم است؟
در ساده‌ترین تعریف، انرژی یعنی توانایی انجام کار. کار در فیزیک یعنی جابجا کردن یک جسم با اعمال نیرو. وقتی شما یک کتاب را از روی زمین بلند می‌کنید، دارید روی آن کار انجام می‌دهید و برای این کار به انرژی نیاز دارید. انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود؛ بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. این قانون مهم، پایستگی انرژی نام دارد. واحد اندازه‌گیری انرژی در سیستم استاندارد بین‌المللی، ژول (J) است.
انرژی جنبشی؛ انرژیِ در حال حرکت
هر جسمی که حرکت کند، دارای انرژی جنبشی است. مقدار این انرژی به دو چیز بستگی دارد: جرم جسم (m) و سرعت آن (v). هرچه جسم سنگین‌تر باشد یا تندتر حرکت کند، انرژی جنبشی بیشتری خواهد داشت. فرمول محاسبه انرژی جنبشی (K.E.) به صورت زیر است:
که در آن:
• K.E. = انرژی جنبشی (ژول)
• m = جرم جسم (کیلوگرم)
• v = سرعت جسم (متر بر ثانیه)
مثال: یک ماشین اسباب‌بازی به جرم 0.5 kg با سرعت 2 m/s در حرکت است. انرژی جنبشی آن برابر است با: $ K.E. = \frac{1}{2} \times 0.5 \times (2)^{2} = \frac{1}{2} \times 0.5 \times 4 = 1 J $
انرژی پتانسیل؛ انرژیِ ذخیره‌شده و آماده به کار
انرژی پتانسیل، انرژیِ ذخیره‌شده در یک جسم به دلیل موقعیت یا وضعیت آن است. این انرژی بالقوه است و می‌تواند در آینده به انرژی جنبشی یا دیگر شکل‌ها تبدیل شود. چند نوع انرژی پتانسیل داریم که دو نوع مهم آن برای دانش‌آموزان عبارتند از:
1. انرژی پتانسیل گرانشی: این انرژی به دلیل ارتفاع یک جسم از سطح زمین در آن ذخیره می‌شود. هرچه جسم سنگین‌تر باشد یا از زمین بالاتر باشد، انرژی پتانسیل گرانشی بیشتری دارد. فرمول آن:
که در آن:
• P.E._{g} = انرژی پتانسیل گرانشی (ژول)
• m = جرم جسم (کیلوگرم)
• g = شتاب گرانش زمین (≈9.8 m/s²)
• h = ارتفاع از سطح مرجع (متر)
مثال: یک کتاب 2 kg روی میزی به ارتفاع 0.8 m قرار دارد. انرژی پتانسیل گرانشی آن نسبت به زمین: $ P.E._{g} = 2 \times 9.8 \times 0.8 = 15.68 J $
2. انرژی پتانسیل کشسانی: این انرژی در اجسامی که کشیده یا فشرده می‌شوند، مانند فنر یا تیر و کمان، ذخیره می‌شود. هرچه فنر را بیشتر بکشیم، انرژی پتانسیل کشسانی بیشتری در آن ذخیره می‌شود.
مقایسه انرژی جنبشی و پتانسیل
| ویژگی | انرژی جنبشی | انرژی پتانسیل |
|---|---|---|
| تعریف | انرژی ناشی از حرکت یک جسم | انرژی ذخیره‌شده در یک جسم به دلیل موقعیت یا حالت آن |
| وابستگی | جرم و سرعت جسم | جرم، ارتفاع (گرانشی) یا میزان کشش/فشردگی (کشسانی) |
| وضعیت جسم | در حال حرکت | ساکن اما در موقعیتی خاص |
| مثال‌های ساده | توپ در حال پرواز، دوچرخه‌سوار در حرکت، آب جاری | توپ روی میز، فنر فشرده‌شده، آب پشت سد |
تبدیل انرژی: از پتانسیل به جنبشی و برعکس
یکی از زیباترین مفاهیم در فیزیک، تبدیل انرژی است. انرژی پتانسیل می‌تواند به جنبشی تبدیل شود و بالعکس. یک مثال کلاسیک، آونگ ساده است. وقتی وزنهٔ آونگ را به بالا می‌بریم و رها می‌کنیم، در بالاترین نقطه، سرعتش صفر است و بنابراین همهٔ انرژی آن به صورت پتانسیل گرانشی است. وقتی وزنه به پایین‌ترین نقطه میرسد، ارتفاعش کمترین و سرعتش بیشترین است؛ پس بیشتر انرژی آن به جنبشی تبدیل شده است. این تبدیل انرژی به طور مداوم در حال رخ دادن است.
مثال عملی: تولید برق از سد
پشت یک سد، حجم عظیمی از آب در ارتفاعی بالا نگهداری می‌شود. این آب دارای انرژی پتانسیل گرانشی زیادی است. وقتی دریچه‌های سد باز می‌شوند، آب به سمت پایین جاری می‌شود. در حین پایین آمدن، انرژی پتانسیل آن به تدریج به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. این آب پرسرعت در انتها به توربین‌ها برخورد می‌کند و آن‌ها را می‌چرخاند. چرخش توربین‌ها نیز انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که به خانه‌های ما میرسد. این یک زنجیرهٔ کامل از تبدیل انرژی است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. هواپیما هم انرژی جنبشی دارد (به دلیل حرکت رو به جلو) و هم انرژی پتانسیل گرانشی (به دلیل ارتفاعی که از زمین دارد).
پاسخ: در بالاترین نقطه، سرعت توق برای یک لحظه صفر می‌شود. بنابراین در آن لحظه انرژی جنبشی آن صفر است و تمام انرژی آن به صورت انرژی پتانسیل گرانشی (نسبی) ذخیره شده است.
پاسخ: خیر. این دو نوع برای شروع یادگیری هستند. انواع دیگری مانند انرژی پتانسیل شیمیایی (ذخیره‌شده در مواد غذایی یا باتری) و انرژی پتانسیل الکتریکی نیز وجود دارد.
پاورقی
1K.E.: مخفف Kinetic Energy (انرژی جنبشی).
2P.E.: مخفف Potential Energy (انرژی پتانسیل).
3ژول (J): واحد استاندارد انرژی در سیستم متریک، به نام فیزیک‌دان انگلیسی جیمز ژول.
4جرم (m): مقدار ماده تشکیل‌دهنده یک جسم که با کیلوگرم اندازه‌گیری می‌شود.
5شتاب گرانش (g): شتابی که اجسام در اثر نیروی گرانش زمین کسب می‌کنند. مقدار تقریبی آن 9.8 m/s² است.