Mentor: Ce vă vine în minte când spun că o persoană are multă energie?
Elev: Acea persoană este foarte activă, face multe lucruri rapid, etc.
Mentor: Corect, iar definiția științifică a energiei nu este foarte diferită de această idee. Practic, energia este capacitatea de a face muncă.
Elev: Dar oamenii energici nu fac întotdeauna muncă. Este definiția științifică a muncii diferită de definiția normală?
Mentor: Exact! În termeni științifici, munca este forța exercitată paralel cu direcția de mișcare. Vă puteți gândi la un exemplu?
Elev: Când ridicați o cutie, exercitați o forță în sus, cutia se deplasează în sus și efectuați o muncă.
Mentor: Corect. Având în vedere că energia este capacitatea de a efectua muncă, știți ce tipuri de energie există?
Elev: Ei bine, din moment ce energia are de-a face cu obiectele în mișcare, există o energie a mișcării?
Mentor: Da, aceasta se numește energie cinetică. Se spune că orice obiect care este în mișcare are energie cinetică. Acum, ce se întâmplă cu energia dacă arunci o minge în aer?
Elev: Să vedem…Pe măsură ce mingea se ridică în aer, viteza mingii scade. Asta înseamnă că energia scade? Și apoi, când coboară și accelerează, energia crește?
Mentor: Energia cinetică scade, într-adevăr, pe măsură ce mingea se ridică în aer și încetinește. Apoi, când mingea coboară și crește în viteză, energia cinetică crește. Știți de ce precizez energia cinetică?
Elev: Există și alte tipuri de energie în afară de energia cinetică?
Mentor: Exact așa este! Conform legii conservării energiei, cantitatea de energie dintr-un sistem trebuie să rămână întotdeauna constantă. Dar noi știm că energia cinetică scade și crește atunci când aruncăm o minge în aer. Cum credeți că se întâmplă acest lucru?
Elev: Energia cinetică este cu siguranță în scădere și în creștere, așa că presupun că trebuie să existe un alt tip de energie pe care obiectul o primește pe măsură ce se ridică.
Mentor: Foarte corect, acest tip de energie se numește energie potențială. Vă amintiți că am spus că energia este doar capacitatea de a efectua un lucru? Pe măsură ce obiectele se deplasează mai sus în aer, energia lor potențială crește datorită efectului gravitației – o minge aflată la înălțime poate fi lăsată să cadă, ceea ce îi permite să presteze muncă.
Elev: Asta are sens. Cred că dacă arunci o minge în aer, energia potențială trebuie să crească pe măsură ce energia cinetică scade și invers, astfel încât energia totală să fie întotdeauna aceeași.
Mentor: Da. Energia potențială are de-a face cu cât de înalt este un obiect și cu modul în care gravitația trage asupra lui. Dar, destul cu energia potențială și cinetică, mai există și alte tipuri de energie?
Elev: Nu cunosc alte moduri de a face muncă în afară de mișcarea obiectelor.
Mentor: Ei bine, dacă nu te poți gândi la niciun alt tip de energie, încearcă să folosești din nou Legea conservării energiei. De ce se oprește un tren dacă pui frână? Pierde energie cinetică, dar nu câștigă energie potențială.
Elev: Am auzit întotdeauna că trenurile se opresc din cauza frecării, deci frecarea trebuie să fie un tip de energie.
Mentor: Ești pe drumul cel bun. Frecarea include de fapt mai multe tipuri diferite de energie pe care le puteți percepe atunci când un tren se oprește:
- Energia termică, care este căldura care poate fi creată prin frecare.
- Energie sonică, care este sunetul pe care îl auziți atunci când un tren se oprește.
- Energie luminoasă, pe care o puteți vedea sub forma scânteilor care zboară sau a metalului încins al trenului care strălucește în roșu.
Student: Deci asta înseamnă că atunci când verificați pentru a vă asigura că energia totală rămâne constantă, trebuie să includeți și toate aceste alte forme de energie.
Mentor: Corect! Cu toate acestea, mai sunt încă câteva tipuri de energie de luat în considerare.
Elev: Stai puțin, cum găsesc de fapt fizicienii toate aceste tipuri de energie? Cum poți spune dacă ceva este energie sau nu?
Mentor: Cel mai simplu mod de a găsi alte tipuri de energie este să ne imaginăm un exemplu din lumea reală în care se pare că energia nu se conservă. Legea conservării energiei este întotdeauna corectă, deci trebuie să existe unul sau mai multe alte tipuri de energie care să compenseze orice deficit. De exemplu, ce se întâmplă cu energiile unei persoane care sare pe o trambulină?
Elev: Pe măsură ce aterizează, viteza și energia lor cinetică scad, dar ei coboară, așa că energia lor potențială scade și ea. Trambulinele scot sunete și degajă puțină căldură atunci când sari pe ele, dar nu poate fi suficient pentru a inversa total căderea. În plus, cumva, atunci când aterizezi, se stochează suficientă energie pentru a te trimite din nou spre cer. Prin urmare, trebuie să existe un fel de „energie de primăvară” pe care trambulinele o capătă pe măsură ce se întind.
Mentor: Da, „energia elastică” la care vă referiți se numește energie mecanică și descrie energia stocată de arcuri, benzi de cauciuc și, da, de trambuline.
Elev: Pare destul de ușor. Există și alte tipuri de energie?
Mentor: Există încă trei forme de energie. Poți să-ți dai seama de vreuna dintre ele din viața și experiențele tale?
Elev: Ei bine, când aprind o lumină, ceva trebuie să creeze energie luminoasă, deci electricitatea este un tip de energie?
Mentor: Absolut, energia electromagnetică – energia particulelor încărcate electromagnetic – este una dintre cele mai convenabile forme de energie, deoarece poate fi transferată pe distanțe mari și poate fi stocată cu ușurință sub formă de baterii. Practic, energia electromagnetică este energia de atracție dintre particulele încărcate pozitiv și negativ. Un flux de electroni care circulă de-a lungul unui fir este ca apa care se scurge pe un pârâu: forța mișcării sale poate fi folosită pentru a efectua muncă.
Elev: Și vedem acest tip de energie în toate aparatele electronice pe care le folosim, nu-i așa?
Mentor: Corect! Deși fizicienii lucrează în prezent la o așa-numită Mare Teorie Unificată care ar combina forța electromagnetică și gravitațională, astfel încât copiii dvs. ar putea fi nevoiți să învețe doar un tip mai puțin de energie și forță.
Elev: Wow, uneori uit că fizica încă se schimbă pe măsură ce se fac noi descoperiri. De obicei ai tendința să te gândești la studiile matematice ca fiind fixe, dar de fapt teoriile sunt schimbate tot timpul pe măsură ce se fac noi descoperiri.
Mentor: Bună observație. De fapt, una dintre cele mai moderne forme de energie a fost teoretizată pentru prima dată în 1905 și a fost folosită cu succes în anii 1940 – energia nucleară. Dar mai există încă o formă cunoscută de energie. Luați în considerare arderea lemnului. Care sunt intrările și ieșirile de energie?
Student: Să vedem, pentru a arde lemnul trebuie mai întâi să-i dai foc, ceea ce necesită energie termică, dar apoi lemnul produce mult mai multă energie termică și luminoasă decât scânteia care a pornit focul. Poate că lemnul își pierde din masă pe măsură ce arde, deoarece după incendiu rămâne întotdeauna mai puțină cenușă decât era lemnul înainte.
Mentor: Este o idee interesantă, dar singurul mod în care materia poate fi transformată în energie este printr-un proces nuclear, și este clar că un foc de tabără nu provoacă o explozie nucleară. Toată masa lipsă pe care o menționați părăsește focul sub formă de fum și vapori de apă. Nu, energia lemnului este cu totul altceva: energie chimică.
Student: Deci energia chimică este energia stocată în orice lucru inflamabil?
Mentor: Orice lucru inflamabil are energie chimică, cu siguranță, deși energia chimică poate fi stocată și în obiecte neinflamabile. În general, energia chimică este energia stocată în legăturile dintre atomi. Atunci când lemnul arde, aceste legături sunt rupte și energia lor este eliberată sub formă de lumină și căldură.
Student: Deci, energia chimică este specifică unei substanțe, ca și energia termică.
Mentor: Da, multe dintre tipurile de energie sunt legate între ele. Cel mai important lucru de reținut, totuși, este Legea conservării energiei. Indiferent de problema pe care o rezolvați, energia totală a sistemului trebuie să rămână întotdeauna constantă.