نگاه اجمالی

انرژی انواع زیادی دارد: مکانیکی ، گرمایی ، الکتریکی ، هسته‌ای و غیره انرزی را به کمک مقدار کاری که می‌تواند انجام دهد اندازه گیری می‌کنند. از اینرو ، درک روشن انرژی مستلزم درک روشن (مفهوم) کار است. 

مفهوم فیزیکی کار

کار، چنان که در فیزیک متداول است، مبنای خاص دارد. کار بنابه تعریف عبارت است از حاصل ضرب نیرو در مسافت پیموده شده در راستای موازی با نیرو ، اگر نیروی اعمال شده را با بردار F و جابجایی را با بردار S نشان دهیم، آن وقت کار حاصلضرب نقطه‌ای این دو بردار است و از رابطه W = F.S بدست می‌آید. بنابراین کار کمیتی نرده‌ای است و برابر می‌شود با:

پس برای اینکه کار انجام شود، جسم یا سیستم باید تحت تأثیر نیروی برآیندی قرار بگیرد و باید حرکتی پدید بیاید و این حرکت باید دست کم مولفه‌ای در راستای نیرو داشته باشد. 

مقیاس کار

در دستگاه یکاهای متری ، یکای کار را ژول می‌نامند. ژول که به اختصار با حروف J نشان داده می شود برابر است با (1N)X(1m). در دستگاه بریتانیایی ، یکای کار ، فوت- پاوند است که به اختصار بصورت ft.lb نشان داده می‌شود. یک فوت – پاوند کاری است که با اعمال نیروی 1lb انجام می‌شود و مقدار جابجایی در امتداد نیرو برابر 1ft است. در دستگاه cgs یکای نیرو در این یکای سانت سامتیمتر و یکای کار ارگ است و هر ارگ (1dyn)X(1cm) است. 

یک مثال ساده کار

نمایش ساده‌ای از انجام کار را در وزنه برداری می‌توان دید وزنه‌ای در نظر بگیرید، وزن 200N ، که همان نیرویی است که زمین به این جسم وارد می‌کند و فرض کنید در امتداد قائم به اندازه 2m بالا برده شده است. کار انجام شده برای بالا بردن وزنه برابر است با (200X2mX400j). جالب توجه است که اگر جسم در همان ارتفاع 2 متری نگه داشته باشد. کاری که برای نگه داری انجام می‌شود برابر صفر است، زیرا هیچ حرکتی وجود ندارد. 

مفهوم فیزیکی انرژی

انرژی ، توانایی انجام کار است. بنابراین یکاهای کار و انرژی یکسانند: ژول در دستگاه متری و فوت – پاوند در دستگاه بریتانیایی یکی از یکاهای عملیاتی انرژی به مدت یک ساعت با آهنگ 1KW (هر وات W برابر 1J/S) است، هر 1KW برابر 6/3 میلیون ژول انرژی است. یکی دیگر از یکاهای انرژی ، که برای افرادی که نسبت به وزنشان حسلاسیت دارند خیلی آشناست، کالری است. هر کالری برابر با 4.186 j است. سرانجام ، الکترون وات (ev) نیز یکی دیگر از یکاهای رایج انرژی است که تقریبا برابر است با 1.68X10^-19. 

انرژی مکانیکی

یکی از متداولترین گونه‌های انرژی ، انرژی مکانیکی است. انرژی مکانیکی به دو صورت ظاهر می‌شود: انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل. انرژی جنبشی ناشی از حرکت است. در حالی که انرژی پتانسیل ناشی از موقعیت یا حالت یک جسم نسبت به جسم دیگر است. در اغلب موارد عادی ، انرژی جنبشی (K) را می‌شود بصورت K = (1/2)mV² نشان داد که در آن m جرم و V سرعت است. انرژی جنبشی به بیان دقیقتر ، اختلاف بیان انرژی کل جسم (E) و انرژی انیشتین یعنی E = mc² که در آن m جرم جسم و c سرعت نور است. خواهیم داشت K = mc² – m₀c² ، که در آن m₀ جرم در حال سکون است. تمام اجسام متحرک انرژی جنبشی دارند. مثل اتومبیل در حال حرکت ، گلوله شلیک شده ، الکترون متحرک و غیره. 

انرژی پتانسیل

انرژی پتانسیل U برحسب پیکربندی بیان می‌شود. در این صورت ، باید مبنایی را به عنوان سطح مرجع یا صفر تعریف کنیم. نمونه خوبی از انرژی پتانسیل ، انرژی نهفته در جسم واقع در ارتفاع است. اگر ارتفاع از سطح مرجع h باشد، انرژی پتانسیل نسبت به سطح مرجع از رابطه U = mgh بدست می‌آید که در آن m جرم جسم و g شتاب گرانشی است. 

تبدیل انرژی

انرژی می‌تواند از نوعی به نوعی دیگر تبدیل شود. مثال خوب آن جسم واقع در ارتفاع است. جسمی که در ارتفاعی (نسبت به سطح مرجع بین در حال سکون است) نسبت به سطح زمین فقط انرژی پتانسیل دارد. این جسم پس از رها شدن درست قبل از اینکه به زمین بخورد، دیگر انرژی پتانسیل ندارد، اما به اعتبار حرکتش دارای انرژی جنبشی است. بنابراین ، انرژی پتانسیل مربوط به قبل از فرو افتادن جسم به انرژی جنبشی تبدیل شده است، که نمونه روشنی از تبدیل انرژی است. به همین ترتیب انرژی مکانیکی می‌تواند به انرژی گرمایی و انرژی الکتریکی به انرژی نورانی تبدیل می‌شود. 

قضیه کار – انرژی

اینکه انرژی با کار انجام شده سنجیده می‌شود تا حدی با قضیه‌ای به نام قضیه کار – انرژی مورد تأکید قرار می‌گیرد. این قضیه بسادگی می‌گوید کار خالص (یا کار برآیند) انجام شده برابر است با تغییر انرژی ، باز هم می‌توانیم مثال جسم ساکن واقع در ارتفاع را بکار ببریم. حتی جسم در میدان گرانی سقوط می‌کند، کاری که (نیروی) گرانی انجام می‌دهد برابر است با W = mgh. جسم هم در مقابل ، انرژی جنبشی (برابر با (1/2)mV²) کسب می‌کند. با توجه به اینکه انرژی جنبشی اولیه جسم صفر بود، تغییر انرژی جنبشی همان انرژی جنبشی نهایی است. بنابراین کار انجام شده برابر با تغییر انرژی جنبشی است که این همان مضمون قضیه کار – انرژی است. 

پایستگی انرژی

یکی از مهمترین قوانین طبیعت پایستگی انرژی است. این قانون می‌گوید: “انرژی نه پدید می‌آید و نه از میان می‌رود” همانطور که از رابطه جسم – انرژی انیشتین انتظار می‌رود. این گزاره جرم اجسام را هم شامل می‌شود.

فهرست مطالب:

کار نیروی ثابت

کار نیروی متغیر – مورد یک بعدی

قانون هوک

کار نیروی متغیر – مورد دو بعدی

انرژی جنبشی و قضیه کار – انرژی

توان

توان متوسط

توان لحظه ای

مثال ها