پایستگی انرژی: قانون طلایی طبیعت
انرژی چیست و چگونه تبدیل میشود؟
انرژی را میتوان توانایی انجام کار تعریف کرد. هر کاری که در اطراف ما انجام میشود، نیازمند انرژی است. انرژی شکلهای مختلفی دارد: جنبشی5 (انرژی حرکت)، پتانسیل6 (انرژی ذخیرهشده)، گرمایی، نورانی و غیره. اصل پایستگی انرژی تأکید میکند که کل انرژی در یک سیستم بسته، همیشه ثابت میماند.
به عنوان مثال، وقتی یک توپ را به بالا پرتاب میکنید، انرژی جنبشی دست شما به توپ منتقل میشود. وقتی توپ بالا میرود، این انرژی جنبشی کمکم به انرژی پتانسیل گرانشی7 تبدیل میشود. در بالاترین نقطه، تقریباً تمام انرژی توپ به صورت پتانسیل است. سپس هنگام سقوط، دوباره این انرژی پتانسیل به جنبشی تبدیل میشود. اگر از مقاومت هوا صرفنظر کنیم، انرژی کل توپ در تمام مراحل $E_{total} = E_{kinetic} + E_{potential}$ ثابت است.
ماشینهای ساده و رابطه کار ورودی و خروجی
ماشینهای ساده مانند اهرم، سطح شیبدار، قرقره و چرخومحور، وسایلی هستند که انجام کار را برای ما آسانتر میکنند. آنها میتوانند جهت نیرو را تغییر دهند، مقدار نیروی لازم را کاهش دهند یا مسافت اثر نیرو را افزایش دهند. اما نکته کلیدی اینجاست: این ماشینها کار تولید نمیکنند؛ فقط آن را منتقل و تبدیل میکنند.
اگر فرض کنیم هیچ انرژیای به صورت اصطکاک یا گرما تلف نمیشود (شرایط ایدهآل)، آنگاه کار ورودی که شما روی ماشین انجام میدهید، دقیقاً برابر با کار خروجی میشود که ماشین روی جسم انجام میدهد. این همان بیان دیگر اصل پایستگی انرژی در ماشینها است.
| ماشین ساده | مثال ملموس | نیرو | جابهجایی | کار (در شرایط ایدهآل) |
|---|---|---|---|---|
| سطح شیبدار | بالا بردن یک بشکه روی رمپ | نیروی کمتر | مسافت بیشتر | کارورودی = کارخروجی |
| اهرم (فندقشکن) | شکستن فندق | نیروی کمتر در دسته | جابهجایی کمتر در نوک | کارورودی = کارخروجی |
| قرقره ثابت | کشیدن پرچم به بالای دکل | نیروی برابر | جابهجایی برابر | کارورودی = کارخروجی |
پایستگی انرژی در بازیها و ورزش
میتوانید این قانون را در فعالیتهای روزمره خود حس کنید. وقتی روی الاکلنگ مینشینید، در واقع از یک اهرم استفاده میکنید. فرد سبکتر برای پایین آوردن فرد سنگینتر، باید مسافت بیشتری را به سمت پایین حرکت کند (یعنی دسته اهرم بلندتری داشته باشد). در این حالت، کار انجامشده توسط هر دو نفر (اگر اصطکاک محور را نادیده بگیریم) با هم برابر است. در بازی بولینگ، انرژی جنبشی توپ به میلهها منتقل میشود و باعث افتادن آنها میگردد. انرژی توپ تقسیم میشود ولی کل آن حفظ میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، کار کم نمیشود. فایده ماشینهای ساده این است که نیروی لازم را کاهش میدهند یا جهت آن را تغییر میدهند. اما در ازای این مزیت، شما مجبورید نیرو را در مسافت طولانیتری اعمال کنید. به عبارت دیگر، ماشینها کار را آسانتر میکنند، نه کمتر.
پاسخ: خیر، هرگز. چنین دستگاهی محرک ماندگار8 نامیده میشود و ساخت آن بر خلاف قانون پایستگی انرژی است. تمام دستگاههای واقعی همیشه بازدهی کمتر از ۱۰۰٪ دارند، زیرا بخشی از انرژی ورودی هدر میرود.
پاسخ: انرژی تلفشده ناپدید نمیشود! بلکه به شکلهای دیگری تبدیل میشود که شاید برای هدف ما مفید نباشند. مثلاً در دوچرخهسواری، بخشی از انرژی عضلات شما صرف غلبه بر اصطکاک چرخها با زمین و هوا میشود. این انرژی در نهایت به گرما تبدیل میشود. به همین دلیل است که ترمزهای دوچرخه پس از مدتی استفاده گرم میشوند.
پاورقی
1 پایستگی انرژی (Conservation of Energy)
2 اصطکاک (Friction): مقاومتی که در مقابل حرکت دو سطح در تماس با هم به وجود میآید.
3 کار ورودی (Input Work): کاری که توسط کاربر بر روی یک ماشین انجام میشود.
4 کار خروجی (Output Work): کاری که ماشین بر روی بار یا جسم انجام میدهد.
5 انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژیای که یک جسم به دلیل حرکت خود دارد.
6 انرژی پتانسیل (Potential Energy): انرژی ذخیرهشده در یک جسم به دلیل موقعیت یا حالت آن.
7 انرژی پتانسیل گرانشی (Gravitational Potential Energy): انرژی ذخیرهشده در یک جسم به دلیل ارتفاع آن از سطح زمین.
8 محرک ماندگار (Perpetual Motion Machine): دستگاهی فرضی که میتواند بدون دریافت انرژی از خارج، کار نامحدودی انجام دهد.
