Mentor: Co przychodzi ci do głowy, kiedy mówię, że dana osoba ma dużo energii?
Uczeń: Ta osoba jest bardzo aktywna, robi wiele rzeczy szybko, itp.
Mentor: Racja, a naukowa definicja energii nie różni się zbytnio od tej idei. Zasadniczo, energia jest zdolnością do wykonywania pracy.
Uczeń: Ale ludzie energiczni nie zawsze wykonują pracę. Czy naukowa definicja pracy różni się od zwykłej definicji?
Mentor: Dokładnie! W naukowym ujęciu praca to siła wywierana równolegle do kierunku ruchu. Czy przychodzi ci do głowy jakiś przykład?
Uczeń: Kiedy podnosisz pudełko, wywierasz siłę do góry, pudełko porusza się do góry, a ty wykonujesz pracę.
Mentor: Racja. Biorąc pod uwagę, że energia jest zdolnością do wykonania pracy, czy wiesz jakie istnieją rodzaje energii?
Uczeń: Cóż, skoro energia ma związek z poruszaniem się obiektów, to czy istnieje energia ruchu?
Mentor: Tak, nazywa się to energią kinetyczną. Mówi się, że każdy obiekt, który się porusza ma energię kinetyczną. Teraz, co się dzieje z energią, jeśli rzucisz piłkę w powietrze?
Uczeń: Zobaczmy…W miarę jak piłka wznosi się w powietrze, jej prędkość maleje. Czy to znaczy, że maleje jej energia? A potem, kiedy opada i przyspiesza, czy energia wzrasta?
Mentor: Energia kinetyczna rzeczywiście maleje, gdy piłka unosi się w powietrzu i zwalnia. Następnie, kiedy piłka opada w dół i zwiększa prędkość, energia kinetyczna wzrasta. Czy wiesz, dlaczego podaję energię kinetyczną?
Uczeń: Czy istnieją inne rodzaje energii oprócz energii kinetycznej?
Mentor: Dokładnie tak! Zgodnie z prawem zachowania energii, ilość energii w systemie musi zawsze pozostać stała. Ale wiemy, że energia kinetyczna maleje i rośnie, kiedy rzucamy piłkę w powietrze. Jak myślisz, jak to się dzieje?
Uczeń: Energia kinetyczna na pewno maleje i rośnie, więc domyślam się, że musi istnieć inny rodzaj energii, którą obiekt otrzymuje, gdy się wznosi.
Mentor: Zgadza się, ten rodzaj energii nazywa się energią potencjalną. Pamiętasz jak mówiłem, że energia jest jedynie zdolnością do wykonania pracy? Kiedy obiekty poruszają się wyżej w powietrzu, ich energia potencjalna wzrasta z powodu efektu grawitacji – piłka wysoko w powietrzu może zostać upuszczona, co pozwala jej wykonać pracę.
Uczeń: To ma sens. Domyślam się, że jeśli podrzucimy piłkę wysoko w powietrze, to energia potencjalna musi rosnąć, bo energia kinetyczna maleje i odwrotnie, więc całkowita energia jest zawsze taka sama.
Mentor: Tak. Energia potencjalna ma związek z tym, jak wysoko znajduje się obiekt i jak grawitacja na niego działa. Ale dość już o energii potencjalnej i kinetycznej, czy są jeszcze jakieś inne rodzaje energii?
Uczeń: Nie znam innych sposobów wykonywania pracy poza przemieszczaniem przedmiotów.
Mentor: No cóż, jeśli nie przychodzi ci do głowy żaden inny rodzaj energii, spróbuj jeszcze raz wykorzystać prawo zachowania energii. Dlaczego pociąg zatrzymuje się, gdy nacisniesz na hamulec? Traci energię kinetyczną, ale nie zyskuje energii potencjalnej.
Uczeń: Zawsze słyszałem, że pociągi zatrzymują się z powodu tarcia, więc tarcie musi być rodzajem energii.
Mentor: Jesteś na właściwym tropie. Tarcie faktycznie obejmuje kilka różnych rodzajów energii, które można dostrzec podczas zatrzymywania się pociągu:
- Energia cieplna, czyli ciepło, które może być wytworzone przez tarcie.
- Energia dźwiękowa, czyli dźwięk, który słyszysz, gdy pociąg zatrzymuje się z łoskotem.
- Energia Świetlna, którą możesz zobaczyć w postaci lecących iskier lub gorącego metalu w pociągu żarzącego się na czerwono.
Student: Więc to oznacza, że kiedy sprawdzasz, czy całkowita energia pozostaje stała, musisz uwzględnić również wszystkie te inne formy energii.
Mentor: Poprawnie! Jednakże, jest jeszcze kilka rodzajów energii do rozważenia.
Uczeń: Chwileczkę, jak fizycy właściwie znajdują te wszystkie rodzaje energii? Jak można stwierdzić, czy coś jest energią czy nie?
Mentor: Najłatwiejszym sposobem na znalezienie innych rodzajów energii jest wyobrażenie sobie przykładu z rzeczywistego świata, gdzie wydaje się, że energia nie jest zachowana. Prawo zachowania energii jest zawsze poprawne, więc musi istnieć jeden lub więcej innych rodzajów energii, aby uzupełnić wszelkie braki. Na przykład, co dzieje się z energią kogoś, kto skacze na trampolinie?
Uczeń: Gdy lądują, zmniejsza się ich prędkość i energia kinetyczna, ale spadają w dół, więc ich energia potencjalna również maleje. Trampoliny wydają dźwięki i wydzielają trochę ciepła, gdy na nie skaczemy, ale to nie wystarczy, aby całkowicie odwrócić upadek. Co więcej, w jakiś sposób, gdy wylądujesz, zgromadzona zostaje wystarczająca ilość energii, by wysłać Cię ponownie w górę. Stąd musi istnieć jakiś rodzaj „energii sprężyny”, którą trampoliny zyskują, gdy się rozciągają.
Mentor: Tak, „energia sprężyny”, do której się odnosisz, jest nazywana energią mechaniczną i opisuje zmagazynowaną energię sprężyn, gumek i, tak, trampolin.
Uczeń: To wydaje się dość łatwe. Czy są jeszcze jakieś inne rodzaje energii?
Mentor: Są jeszcze trzy inne formy energii. Czy potrafisz określić którąś z nich na podstawie swojego życia i doświadczeń?
Student: Cóż, kiedy zapalam światło, coś musi wytwarzać energię świetlną, więc czy elektryczność jest rodzajem energii?
Mentor: Absolutnie, energia elektromagnetyczna – energia cząstek naładowanych elektromagnetycznie – jest jedną z najwygodniejszych form energii, ponieważ można ją przenosić na duże odległości i łatwo magazynować w postaci baterii. Zasadniczo, energia elektromagnetyczna jest energią przyciągania pomiędzy dodatnio i ujemnie naładowanymi cząstkami. Strumień elektronów krążących wzdłuż przewodu jest jak woda płynąca w dół strumienia: siła jego ruchu może być użyta do wykonania pracy.
Student: I widzimy ten rodzaj energii we wszystkich urządzeniach elektronicznych, których używamy, prawda?
Mentor: Racja! Chociaż fizycy pracują obecnie nad tak zwaną Wielką Teorią Ujednoliconą, która połączyłaby siłę elektromagnetyczną i grawitacyjną, więc być może wasze dzieci będą musiały nauczyć się tylko jednego rodzaju energii i siły mniej.
Student: Wow, czasami zapominam, że fizyka wciąż się zmienia w miarę dokonywania nowych odkryć. Zazwyczaj myślimy o badaniach matematycznych jako o stałych, ale tak naprawdę teorie są zmieniane cały czas w miarę dokonywania nowych odkryć.
Mentor: Dobra uwaga. W rzeczywistości, jedna z bardziej nowoczesnych form energii została po raz pierwszy teoretyzowana w 1905 roku i została z powodzeniem wykorzystana w latach 40-tych – energia jądrowa. Ale wciąż pozostaje jedna znana forma energii. Rozważmy spalanie drewna. Jakie są wejścia i wyjścia energii?
Student: Zobaczmy, aby spalić drewno trzeba je najpierw podpalić, co wymaga energii cieplnej, ale potem drewno wytwarza o wiele więcej energii cieplnej i świetlnej niż iskra, która wznieciła ogień. Być może drewno traci masę podczas spalania, ponieważ po pożarze zawsze zostaje mniej popiołu niż było drewna wcześniej.
Mentor: To ciekawy pomysł, ale jedynym sposobem, w jaki materia może być przekształcona w energię, jest proces jądrowy, a najwyraźniej ognisko nie powoduje eksplozji jądrowej. Cała brakująca masa, o której wspominasz, opuszcza ogień w postaci dymu i pary wodnej. Nie, energia drewna jest czymś zupełnie innym: energią chemiczną.
Student: Czyli energia chemiczna to energia zgromadzona we wszystkim, co jest łatwopalne?
Mentor: Wszystko co jest łatwopalne ma energię chemiczną, z pewnością, chociaż energia chemiczna może być również przechowywana w przedmiotach niepalnych. Ogólnie rzecz biorąc, energia chemiczna jest energią przechowywaną w wiązaniach między atomami. Kiedy drewno się pali, te wiązania są zrywane i ich energia jest uwalniana w postaci światła i ciepła.
Student: Czyli energia chemiczna jest specyficzna dla danej substancji, tak jak energia cieplna.
Mentor: Tak, wiele rodzajów energii jest ze sobą powiązanych. Jednak najważniejszą rzeczą, o której należy pamiętać jest prawo zachowania energii. Bez względu na to, jaki problem rozwiązujemy, całkowita energia systemu musi zawsze pozostać stała.