חוק שימור האנרגיה
אחד החוקים החשובים ביותר בפיזיקה-אנרגיה לא נעלמת לעולם!
החוק הבסיסי
מה זה אומר בפועל?
התאוריה הפיזיקלית שמקורה בחוקי התרמודינמיקה קובעת באדיקות שהגודל הסקלרי השלם במערכת פיזיקלית סגורה אינו ניתן להיווצרות או השמדה, אלא מומר בתדירות מסוג אנרגיה אחד למשנהו.
במערכת סגורה:
אנרגיה בהתחלה = אנרגיה בסוף
דוגמה - כדור נופל:
בהתחלה (גובה): אנרגיה פוטנציאלית = 100 ג'אול
בסוף (לפני פגיעה): אנרגיה קינטית = 100 ג'אול
מה קורה אחרי הפגיעה?
האנרגיה הופכת ל:
• קול (הרעש)
• חום (הכדור והרצפה מתחממים)
• תנועה (הכדור קופץ)
סך הכל עדיין = 100 ג'אול!
האנרגיה לא "הלכה לאיבוד"-היא רק התפזרה לצורות אחרות.
מטוטלת
מטוטלת מתנדנדת הלוך ושוב:
• בצד: פוטנציאלית מקסימלית, קינטית = 0
• באמצע: קינטית מקסימלית, פוטנציאלית = מינימום
• הסכום תמיד שווה!
רכבת הרים
רכבת הרים עולה ויורדת:
• בפסגה: פוטנציאלית גבוהה, קינטית נמוכה
• בשפל: קינטית גבוהה, פוטנציאלית נמוכה
• לכן אחרי גבעה גבוהה-המהירות עולה!
שימור אנרגיה בנפילה חופשית
| גובה | אנרגיה פוטנציאלית | אנרגיה קינטית | סה"כ |
|---|---|---|---|
| 10 מטר (התחלה) | 100 ג'אול | 0 ג'אול | 100 ג'אול |
| 7.5 מטר | 75 ג'אול | 25 ג'אול | 100 ג'אול |
| 5 מטר | 50 ג'אול | 50 ג'אול | 100 ג'אול |
| 2.5 מטר | 25 ג'אול | 75 ג'אול | 100 ג'אול |
| 0 מטר (סוף) | 0 ג'אול | 100 ג'אול | 100 ג'אול |
* הסכום תמיד 100 ג'אול-האנרגיה נשמרת!
השאלה
אם המטוטלת לא עוצרת מעצמה, למה רכבת הרים צריכה מנוע?
למה כדור קופצני בסוף מפסיק לקפוץ?
התשובה
האנרגיה לא נעלמת-היא הופכת לחום!
חיכוך באוויר, ברצפה, בצירים-הכל הופך לחום שמתפזר לסביבה. האנרגיה עדיין קיימת!
איך משתמשים בחוק הזה?
חוק שימור האנרגיה עוזר לנו לחשב דברים:
- כמה מהר יהיה גוף כשיפול מגובה מסוים?
- כמה גבוה יגיע גוף שנזרק למעלה?
- כמה דלק צריך כדי להגיע למהירות מסוימת?
- כמה אנרגיה צריך כדי לחמם מים?
- הכל מבוסס על העיקרון: אנרגיה בהתחלה = אנרגיה בסוף
שאלה לחשיבה
כדור נופל מגובה 10 מטר. אחרי שהוא פוגע ברצפה וקופץ, הוא מגיע רק לגובה 7 מטר. האם חוק שימור האנרגיה נשבר?
חוק שימור האנרגיה לעולם אינו מופר. ה-30% החסרים באנרגיה הקינטית החוזרת הומרו בפועל, בעת המפגש עם רצפת הבטון, להתמך אנרגטי אטמוספרי שכולל המרות לאנרגיית קול (גלי הדף), יצירת אנרגיית חום (חיכוך אקוסטי מטאלי), ואנרגיית עיבור המעוותת את הכדור.
אלברט איינשטיין גילה שמסה ואנרגיה זה אותו דבר!
E = mc²
אנרגיה = מסה × (מהירות האור)²
זה אומר שאפילו מסה קטנטנה מכילה אנרגיה עצומה.
גרם אחד של חומר = 90,000,000,000,000 ג'אול!
זה העיקרון מאחורי פצצות גרעין ותחנות כוח גרעיניות.
גם המסה וגם האנרגיה נשמרות-אבל הן יכולות להמיר זו לזו!
שאלה לחשיבה
מהו חוק שימור האנרגיה (בניסוח פשוט לכיתה ז'), ומה המשמעות של "מערכת סגורה"?
במערכת סגורה סך האנרגיה נשמר-היא עוברת בין צורות (קינטית, פוטנציאלית, תרמית וכו') אבל לא נעלמת. "סגורה" פירושה שלא נכנס או יוצא אנרגיה מהמערכת שאנו סופרים.