אנרגיה. עבודה

נכתב ע"י alexL בג', 01/08/2019 - 04:30

הרבה פחות קל לקלוט את הרעיון של תנועה. אנחנו רגילים לחשוב כי גוף נע מסיבה כלשהי: דחף, נפילה, כוח אחר. בלי סיבה חיצונית הגוף אמור להישאר במנוחה. זה ברור מאליו, אך לא נכון. חשוב מאוד שנזכור כל הזמן שמסקנה זו (שהמנוחה היא המצב הטבעי של גוף ותנועה נובעת מהשפעת כוח חיצוני) המסתמכת לכאורה בצפייה ישירה, הזויה ושגויה. הזיית המנוחה הטבעית נובעת רק מהעובדה כי בעולם שלנו יש השפעה אדירה לכוח חיכוך. כאשר גוף נע, הוא מושפע מהחיכוך עם הקרקע, עם האוויר או תווך אחר וכוח זה גורם לו להיעצר. במעוף (שבו אין חיכוך עם קרקע) ובריק (שאין בו חיכוך עם תווך) תנועת הגוף לא תיפסק ולא תשתנה בהיעדר כוחות חיצוניים. זוהי תופעה מוכרת טוב מאוד לאלה שמתכננים שיגורים לחלל של לוויינים וחלליות, אבל תופעה זו מתנגשת עם ההרגלים ועם הניסיון שלנו ולכן קשה לקלוט אותה. בתקווה שהחזרה עוזרת לקלוט, נאמר פעם נוספת: גופים (חלקיקים) במערכת נעים לא "משום ש", הם נעים כי זה מצבם הטבעי. להפך, נמצאים חלקיקים במנוחה אך ורק אז כאשר קיים כוח חיצוני המונע מהם לנוע.

לפי כך, לכל גוף יש יכולת מסוימת לשמור על תנועתו ולשנות את תנועת גופים אחרים. יכולת זו נקראת אנרגיה.

אנרגיה היא יכולת גוף לשנות אופי תנועה של גוף אחר או יכולת הגוף להתנגד לשינוי אופי תנועתו ע''י גופים אחרים.

ככל שיותר אנרגיה יש לגוף, כך יותר הוא מסוגל לשנות את התנועה של גופים אחרים וכך פחות גופים אחרים יכולים לשנות את התנועה שלו. האם משמעות טענה זו היא שהאנרגיה יכולה להיות רק לגוף שאנחנו רואים אותו נע? וודאי שלא! יש לא מעט מקרים שבהם אנחנו לא מסוגלים לראות תנועה של חלקיקים קטנים, אבל זה לא אומר שתנועה כזו לא קיימת. אף אחד לא רואה אוויר, אך את תנועת האוויר אנחנו מסוגלים להרגיש. את תנועת האלקטרונים המכוונת אנחנו גם היינו יכולים להרגיש אם מישהו היה נוגע בחוטי חשמל - אך עדיף שלא נעשה זאת אלא נסתפק בניסוי דמיוני.

במקרים כאשר מדובר באנרגיה "גלויה" של גוף נע, מדברים על אנרגיה קינטית (מילולית, "אנרגיית תנועה"). במקרים שבהם גוף נמצא במנוחה מכיוון שתנועתו "מובלגת" ע''י כוח חיצוני, מדברים על אנרגיה פוטנציאלית ("אפשרית") שלו. הספר על המדף שלי צריך לנוע כלפי מטה, אבל המדף מונע ממנו ליפול - לכן אנחנו מדברים על אנרגיה פוטנציאלית של הספר על המדף. אם אני אזיז את הספר על פני השטח של המדף כך שתחת הספר לא יהיה עוד מדף (כלומר, אבטל את הכוח הנורמלי המופעל על הספר ע''י המדף), האנרגיה הפוטנציאלית תתממש ותעבור לאנרגיה קינטית של נפילת הספר.

אם תנועה מסוימת אינה נראית לעיני הצופה או לא ניתנת למדידה (או פשוט לא מעניינת אותנו כרגע), נוח מאוד לקרוא לה אנרגיה פנימית. באותו הספר שהיה על המדף, היה לא מעט אנרגיה הקשורה לתנועת אטומים, אלקטרונים ועוד, אבל לא יכולתי לראות ולמדוד אותה בניסוי שלנו. על כן, "ויתרתי" עליה ואמרתי כי היא האנרגיה הפנימית. אם (חס וחלילה) היה הספר מתלקח, חלק של האנרגיה הפנימית שלו היה משתחרר בצורת חום.

אחד החוקים החשובים של עולמנו הוא חוק שימור אנרגיה (הוא גם החוק הראשון של תרמו-דינמיקה) הטוען כי:

במערכת מבודדת האנרגיה אינה נעלמת ואינה מופיעה מאין אלא רק עוברת מגוף לגוף ומצורתה אחת לצורתה אחרת.

שינוי אופי תנועה של גוף נעשה נגד כוחות הגורמים לגוף לנוע או להישאר במנוחה. על כן, שינוי תנועת הגוף מחייב ביצוע של עבודה נגד כוחות הפועלים על גוף. המונח של עבודה מאפשר לקצר את ההגדרה של אנרגיה:

אנרגיה היא יכולת גוף לבצע עבודה.

כאשר גוף מבצע עבודה, הוא משקיע אנרגיה והאנרגיה שלו נפחתת. אם גוף אחר מבצע עבודה על הגוף הנתון, האנרגיה של הגוף עולה. עבודה (W) שנעשתה ע''י הגוף היא ההפרש בין האנרגיה ההתחלתית של הגוף (E1) לאנרגיה שלו אחרי האינטראקציה עם גופים אחרים (E2) :

W = E1 - E2

הערה חשובה: בנוסחה לעיל הנחנו מעבר אנרגיה כזה בין גוף לגוף שבמהלכו המערכת לא מתחממת (ולא מתקררת), לא מקרינה אור או קרינות אחרות ולא מבזבזת אנרגיה בדרכים אחרות. אפשר להוכיח כי הנחה זאת אינה מתקיימת באף מערכת ריאלית. אבל... נניח בינתיים שכל הפסדי אנרגיה אפשריים כלולים כבר בעבודה W.

גם האנרגיה וגם העבודה נמדדות במערכת SI ביחידות של ג'אול (J), כך ש 1J היא כמות האנרגיה הדרושה בשביל להעביר גוף למרחק של 1 מ' נגד כוח של 1N.