Mentor: Vad kommer du att tänka på när jag säger att en person har mycket energi?
Elev: Den personen är mycket aktiv, gör många saker snabbt osv.
Mentor: Just det, och den vetenskapliga definitionen av energi skiljer sig inte särskilt mycket från den tanken. I grund och botten är energi förmågan att utföra arbete.
Elev: Men energiska människor utför inte alltid arbete. Är den vetenskapliga definitionen av arbete annorlunda än den normala definitionen?
Mentor: Exakt! I vetenskapliga termer är arbete kraft som utövas parallellt med rörelseriktningen. Kan du komma på ett exempel?
Elev: När du lyfter en låda utövar du en kraft uppåt, lådan rör sig uppåt och du utför arbete.
Mentor: Just det. Med tanke på att energi är förmågan att utföra arbete, vet du vilka typer av energi som finns?
Elev: Eftersom energi har att göra med rörliga föremål, finns det då en rörelseenergi?
Mentor: Ja, den kallas kinetisk energi. Alla föremål som rör sig sägs ha kinetisk energi. Vad händer nu med energin om du kastar en boll upp i luften?
Elev: När bollen stiger upp i luften minskar bollens hastighet. Betyder det att energin minskar? Och när den sedan kommer ner och blir snabbare, ökar energin då?
Mentor: Den kinetiska energin minskar faktiskt när bollen stiger upp i luften och blir långsammare. När bollen sedan kommer ner och ökar i hastighet ökar den kinetiska energin. Vet du varför jag specificerar den kinetiska energin?
Elev: Finns det andra typer av energi än bara rörelseenergi?
Mentor: Det stämmer precis! Enligt lagen om energins bevarande måste energimängden i ett system alltid vara konstant. Men vi vet att den kinetiska energin minskar och ökar när vi kastar en boll i luften. Hur tror du att detta sker?
Elev: Jag antar att det måste finnas en annan typ av energi som föremålet får när det stiger uppåt.
Mentor: Helt korrekt, den här typen av energi kallas potentiell energi. Minns du hur jag sa att energi bara är förmågan att utföra arbete? När föremålen rör sig högre upp i luften ökar deras potentiella energi på grund av gravitationseffekten – en boll som befinner sig högt upp i luften kan släppas, vilket gör att den kan utföra arbete.
Elev: Det låter vettigt. Jag antar att om man kastar en boll högt upp i luften måste den potentiella energin öka när den kinetiska energin minskar, och vice versa, så att den totala energin alltid är densamma.
Mentor: Ja. Den potentiella energin har att göra med hur högt ett föremål är och hur gravitationen drar på det. Men nog med potentiell och kinetisk energi, finns det några andra typer av energi?
Elev: Jag vet inte om det finns några andra sätt att utföra arbete än att flytta föremål.
Mentor: Tja, om du inte kan komma på någon annan typ av energi kan du försöka använda lagen om energins bevarande igen. Varför stannar ett tåg om man bromsar? Det förlorar kinetisk energi men får inte potentiell energi.
Elev: Jag har alltid hört att tåg stannar på grund av friktion, så friktion måste vara en typ av energi.
Mentor: Du är på rätt spår. Friktion omfattar faktiskt flera olika typer av energi som du kan uppfatta när ett tåg stannar:
- Termisk energi, som är värme som kan skapas via friktion.
- Ljudkraft, som är det ljud du hör när ett tåg stannar.
- Ljusenergi, som du kan se i form av gnistor som flyger eller den heta metallen på tåget som lyser rött.
Elev: Det betyder alltså att när du kontrollerar att den totala energin förblir konstant måste du inkludera alla dessa andra former av energi också.
Mentor: Korrekt! Det finns dock fortfarande några fler typer av energi att ta hänsyn till.
Elev: Vänta lite, hur hittar fysikerna egentligen alla dessa typer av energi? Hur kan man avgöra om något är energi eller inte?
Mentor: Det enklaste sättet att hitta andra typer av energi är att föreställa sig ett exempel från verkligheten där det verkar som om energi inte bevaras. Energins bevarandelag är alltid korrekt, så det måste finnas en eller flera andra typer av energi för att kompensera eventuella brister. Vad händer till exempel med energierna hos någon när de hoppar på en trampolin?
Elev: När de landar minskar deras hastighet och kinetiska energi, men de går neråt så deras potentiella energi minskar också. Trampoliner gör ljud och avger lite värme när man hoppar på dem, men det kan inte vara tillräckligt för att helt vända fallet. Dessutom lagras på något sätt tillräckligt med energi när du landar för att skicka dig uppåt igen. Därför måste det finnas någon typ av ”fjädringsenergi” som trampoliner får när de sträcker sig.
Mentor: Ja, den ”fjäderenergi” som du hänvisar till kallas mekanisk energi och beskriver den lagrade energin i fjädrar, gummiband och, ja, trampoliner.
Elev: Det verkar ganska enkelt. Finns det några andra typer av energi?
Mentor: Det finns ytterligare tre former av energi. Kan du räkna ut någon av dem utifrån ditt liv och dina erfarenheter?
Elev: När jag tänder en lampa måste något skapa ljusenergi, så är elektricitet en typ av energi?
Mentor: Absolut, elektromagnetisk energi – energin från elektromagnetiskt laddade partiklar – är en av de mest praktiska energiformerna eftersom den kan överföras över stora avstånd och lagras lätt i form av batterier. I grund och botten är elektromagnetisk energi attraktionsenergi mellan positivt och negativt laddade partiklar. Ett flöde av elektroner som cirkulerar längs en tråd är som vatten som rinner nerför en bäck: kraften i dess rörelse kan användas för att utföra arbete.
Elev: Och vi ser den typen av energi i all elektronik som vi använder, eller hur?
Mentor: Just det! Även om fysiker för närvarande arbetar på en så kallad Grand Unified Theory som skulle kombinera elektromagnetisk och gravitationell kraft, så kanske dina barn bara behöver lära sig en typ av energi och kraft mindre.
Elev: Ibland glömmer jag att fysiken fortfarande förändras i takt med att nya upptäckter görs. Man brukar vanligtvis tänka att matematiska studier är fasta, men i själva verket ändras teorierna hela tiden i takt med att nya upptäckter görs.
Mentor: Bra poäng. Faktum är att en av de modernare energiformerna först teoretiserades 1905 och användes framgångsrikt på 1940-talet – kärnenergi. Men det finns fortfarande en känd form av energi kvar. Tänk på förbränning av ved. Vad är energitillförseln och energiavgången?
Elev: Låt oss se, för att bränna ved måste man först sätta eld på den, vilket kräver värmeenergi, men sedan producerar veden mycket mer värme- och ljusenergi än den gnista som startade elden. Kanske förlorar träet massa när det brinner, eftersom det alltid finns mindre aska kvar efter branden än vad det fanns trä innan.
Mentor: Det är en intressant idé, men det enda sättet som materia kan omvandlas till energi är genom en kärnteknisk process, och det är uppenbart att en brasa inte orsakar en kärnvapenexplosion. All den saknade massan som du nämner lämnar elden i form av rök och vattenånga. Nej, energin i trä är något helt annat: kemisk energi.
Elev: Så kemisk energi är den energi som finns lagrad i allt som är brännbart?
Mentor: Allt brännbart har kemisk energi, förvisso, även om kemisk energi också kan lagras i icke brännbara föremål. I allmänhet är kemisk energi den energi som lagras i bindningarna mellan atomer. När trä brinner bryts dessa bindningar och deras energi frigörs i form av ljus och värme.
Student: Så kemisk energi är ämnesspecifik, precis som värmeenergi.
Mentor: Ja, många av energityperna är relaterade till varandra. Det viktigaste att komma ihåg är dock lagen om energins bevarande. Oavsett vilket problem du löser måste systemets totala energi alltid förbli konstant.