ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ;

Αν ρωτούσατε εμένα ως φυσικό να σας πω τι είναι η ενέργεια θα σας έλεγα πως είναι το μέτρο της ικανότητας ενός σώματος ή ενός συστήματος να παράξει έργο. Αν όμως σας απαντούσα υπό το πρίσμα του πατέρα θα σας έδειχνα τι μπορεί να κάνει η κόρη μου εάν φάει μία ολόκληρη σοκολάτα.  Τι όμως είναι πραγματικά η ενέργεια και ποιες είναι οι μορφές της;

ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ

Η ενέργεια είναι μία έννοια η οποία είναι πολύ ευκολότερο στο να την αναγνωρίσεις με την παρατήρηση παρά να ορίσεις.  Μπορούμε να αναγνωρίσουμε την ενέργεια σε ένα αυτοκίνητο που κινείται με μία συγκεκριμένη ταχύτητα,  σε ένα τεντωμένο ελατήριο, σε ένα ξύλο που καίγεται ή σε ένα τρελό παρεάκι από πεντάχρονα…  Κοίταξτε όμως τώρα τι γίνεται με τους ορισμούς. Ενέργεια ορίζεται το μέτρο της ικανότητας ενός συστήματος να παράξει έργο.  Και τι είναι έργο;  Έργο με απλά λόγια είναι η ποσότητα ενέργειας που παράγεται ή καταναλώνεται από ένα σώμα κατά την διάρκεια μιας μεταβολής στην κινητική του κατάσταση. Οι δύο αυτοί οι ορισμοί μοιάζουν σαν να σε πηγαίνει ο ένας και κυκλικά στον άλλον και ενδεχομένως να δημιουργείται μία σύγχυση.  Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να ορίσει κάνεις την ενέργεια αλλά ο τρόπος που θα ήθελα να την προσεγγίσουμε εμείς στη συγκεκριμένη παρουσίαση είναι πως η ενέργεια είναι μία πολύ χρήσιμη μαθηματική έννοια.  Μία μαθηματική έννοια που μας βοηθάει στο να προβλέψουμε πώς θα συμπεριφερθούν τα διάφορα συστήματα γύρω μας

ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ-ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Υπάρχουν πολλές μορφές ενέργειας όπως είναι η δυναμική, κινητική, θερμική, ηλεκτρική, χημική, πυρηνική και άλλες.  Αλλά οι μεγάλες κατηγορίες είναι δύο.  Η κινητική ενέργεια και η δυναμική ενέργεια.

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Η κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που οφείλεται στην κίνηση ενός σώματος.  Ο μαθηματικός τύπος για τον υπολογισμό της είναι Κ=1/2*mu^2.

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Η δυναμική ενέργεια, είναι μία αποθηκευμένη ενέργεια η οποία εμφανίζεται όταν ένα σώμα κινείται ενάντια σε μία δύναμη. Σκεφτείτε ότι κρατάτε παραδείγματος χάρη ένα ελατήριο και το συμπιέζεται.  Μπορείτε να νιώσετε τον τρόπο που έχει αποθηκεύσει ενέργεια και θα ήθελε να εκτιναχθεί.  Η φανταστείτε ότι ανυψώνεται ένα σώμα σε κάποιο συγκεκριμένο ύψος.  Και στις δύο περιπτώσεις κινήσατε τα σώματά ενάντια σε μία δύναμη.  Στην περίπτωση του ελατηρίου το κινήσετε ενάντια στη δύναμη που ήθελε να το επαναφέρει στην αρχική του κατάσταση ή όταν ανυψώστε το σώμα το κινήσετε ενάντια στο βάρος.  Και στις δύο περιπτώσεις λοιπόν εάν αφήσετε τα σώματα τότε αυτά θα κινηθούν. Τον μαθηματικό τύπο για τον υπολογισμό της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας των εισαγάγει η γαλλίδα φυσικός Emile du Chatelie και είναι U=mgh.  Βέβαια δεν θα μπορούσαμε να χρεώσουμε τα εύσημα σε κανένα συγκεκριμένο επιστήμονα για την ιδέα της ενέργειας σε όλες της τις μορφές.  Είναι μία δουλειά δεκαετιών που έχουν συνεισφέρει αρκετοί διάσημοι φυσικοί όπως ο Carnot, Joule, Boltzmann ,Bernoulli , Maxwell και πολλοί άλλοι. Αξίζει όμως να σταθούμε στο έργο μιας γερμανίδας μαθηματικού που ακούει στο όνομα Emmy Noether. Το 1918 η Emmy Noether διατυπώνει δύο θεωρήματα το πρώτο και το δεύτερο θεώρημα της Noether,  με βάση τα οποία έφερε στο φως τις θεμελιώδεις σχέσεις ανάμεσα στις συμμετρίες και τις διατηρούμενες ποσότητες στη φυσική.  Με το πρώτο θεώρημα, που είναι και αυτό που μας ενδιαφέρει στο συγκεκριμένο θέμα,  έδειξε ότι κάθε συμμετρία της φύσης συνεπάγεται και έναν νόμο διατήρησης ενώ πίσω από κάθε νομό διατήρησης αποκαλύπτεται μία συμμετρία.  Πιο συγκεκριμένα το γεγονός ότι οι φυσικοί νόμοι δεν αλλάζουν για διαφορετικούς χρόνους (συμμετρία στην μετατόπιση στον χρόνο)  συνεπάγεται και διατήρηση της ενέργειας.  Ας εξηγήσουμε τη συγκεκριμένη φράση με ένα παράδειγμα.  Σκεφτείτε ότι κρατάω ένα μπαλάκι του τένις και το αφήνω από ύψος ενός μέτρου.  Εάν το αφήσω τότε αυτό θα εκτελέσει μία ελεύθερη πτώση και θα φτάσει στο έδαφος με μία συγκεκριμένη ταχύτητα.  Αν επαναλάβει το πείραμα 10 ώρες αργότερα τότε το μπαλάκι θα κάνει ακριβώς την ίδια κίνηση και θα φτάσει στο έδαφος με την ακριβώς ίδια ταχύτητα.  Αυτό είναι λοιπόν η συμμετρία στην μετατόπιση στον χρόνο. Στο βίντεο που παρουσιάζονται δύο συγκεκριμένα παραδείγματα μπορεί κανείς να αντιληφθεί πως με το συγκεκριμένο θεώρημα της  Noether μπορεί κανείς να αντιμετωπίσει την ενέργεια σαν μία μαθηματική έννοια που μπορεί να μας βοηθήσει στην πρόβλεψη συμπεριφοράς ενός συστήματος.  Η ενέργεια λοιπόν είναι ένα πραγματικά χρήσιμο μαθηματικό εργαλείο που πίσω από αυτό ο ακριβής ορισμός της είναι αρκετά δύσκολος με λόγια χωρίς να κάνουμε αρκετή τεχνική δουλειά.  Αλλά στο κάτω-κάτω δεν έχει τόσο σημασία τι είναι η ενέργεια αλλά ο τρόπος που αλλάζει μορφές και μας επιτρέπει να προβλέψουμε τη συμπεριφορά ενός συστήματος και η βάση για αυτό είναι η αρχή της διατήρησης της!