Fysik A/Krafter och energibegreppet

Detta avsnitt ingår i kursen Fysik A.

Vad är energi? Definition av begreppet

Energi är en egenskap ett föremål kan besitta. Egenskapen är att kunna utföra ett arbete. Att utföra ett arbete innebär att påverka ett föremål med en kraft så att föremålet flyttar sig en viss sträcka i kraftens riktning. Ett föremål kan därmed sägas inneha egenskapen en ponani tt utföra arbete, exempelvis då du lyfter en matkasse upp på ett bord.
Begreppet energi är ett av de mest fundamentala begreppen inom fysiken, men begreppet fick sin nuvarande definition först under de senare århundradena.

. Vikten av förståelsen av begreppet. Att inte blanda ihop. Tankefällor

Arbete

Ett arbete, $W$, (där beteckningen kommer från engelskans Work) utförs av ett föremål, eller som det ibland rent generellt kallas ett system, på ett annat system. Detta sker genom att system A påverkar system B med en kraft samtidigt som system B förflyttar sig. Om kraften är större blir arbetet större, och om sträckan som system B förflyttar sig är större blir även då arbetet större. Detta kan matematiskt beskrivas genom följande samband: $W={\bar {F}}\times s$. Tänk dig exempelvis att du kastar en boll eller stöter kula. Du (system A) gör det genom att under tiden din hand rör vid bollen eller kulan (system B), så påverkar du system B med en kraft som i genomsnitt är, ${\bar {F}}$, stor under tiden som din hand trycker fram kulan sträckan, $s$. Om vi förenklar situationen lite grand och antar att kraften är densamma under hela sträckan så behöver vi inte räkna ut medelvärdet av kraften utan det arbete som vi utfört räknas ut genom att helt enkelt stoppa in kraftens storlek, $F$, i sambandet: $W=F\times s$. Då kraftens styrka är densamma hela tiden är kraftens medelstyrkan naturligtvis densamma som kraftens styrka.

Energins olika skepnader - energiformer

Med definitionen att energi är egenskapen att kunna utföra ett arbete och med definitionen av arbete i bakhuvudet inser vi att det inte finns så många olika typer av energi som man ibland fås att tro. Vill man hårddra det så finns endast två, möjligen tre olika huvudtyper av energi: rörelseenergi, potentiell energi, det vill säga; möjlighet (potential) till rörelse, och strålningsenergi, där den sistnämnda även den kan ses som ren rörelseenergi. De övriga energiformerna man ibland talar om, såsom elektrisk energi, värmeenergi, kärnkraftsenergi, elastisk energi, kemisk energi etc. är egentligen bara olika varianter av rörelseenergi eller potentiell energi. Energi handlar alltså om rörelse, eller möjligheten till rörelse.

Energins bevarande

En av de absolut viktigaste principerna i vår värld, inte bara inom fysikämnet utan överhuvud taget, är principen om energins bevarande, den så kallade energiprincipen som kan uttryckas på flera sätt, till exempel:

“

Vad som än händer i universum så är den totala energin konstant, den är densamma före som efter händelsen.

”

eller:

“

Energi kan varken skapas eller förstöras, den kan enbart omvandlas från en form till en annan.

”

Varifrån kommer då denna regel? Lagen som universum inte får bryta mot? Lagen, även kallad termodynamikens första lag, är i grunden en rent empirisk eller erfarenhetsbaserad lag, det finns således aldrig någon som har observerat någon händelse som bryter mot den. Vad man även kan säga är att om lagen inte hade gällt så hade vår värld inte sett ut som vi känner den idag. Ett experiment som utförts idag hade, även om vi försökt göra precis på samma sätt, fått ett annat resultat om vi gjort om det i morgon. Varför energin är bevarad är dock svårt att svara på, men det är tur för oss att den är det.

Rörelseenergi

Rörelseenergi har alla föremål som rör sig. Så enkelt är det. Men vad betyder det? Låt oss analysera. Först måste vi förklara vad vi menar med att något rör sig. Det låter kanske självklart, men som vi sett i avsnittet om rörelse och som Galilei funderade kring, så måste vi när vi diskuterar rörelse utgå ifrån rörelsen av ett föremål i förhållande till ett annat föremål, eller flera andra föremål, som inte rör sig i förhållande till varandra.

Potentiell energi - lagrad energi

Vad menas då med lagrad, eller potentiell energi? Ett enkelt exempel är om du tänker dig att du lyfter en bok från golvet upp på en bokhylla. Du har nu gett boken möjligheten att röra sig, om den skulle trilla ned från hyllan. I det här fallet handlar det om att du ändrat ett föremåls läge på så vis att du flyttat på det åt motsatt håll mot tyngdkraften som verkar alltid verkar på föremålet. På så vis kan ett föremåls potentiella energi definieras utifrån ett föremåls läge i förhållande till riktningen på de krafter som verkar på föremålet. Ett likande exempel får vi om vi tänker oss en negativt elektriskt laddad flörtkula som vi för emot en negativt laddad metallplatta. De negativt laddade föremålen stöter ifrån varandra, de påverkar varandra med en repellerande kraft. Om vi tvingar flörtkulan närmare metallplattan måste vi använda en kraft som är minst lika stor som den repellerande kraften och vi måste därmed utföra ett arbete på flörtkulan. Om vi nu håller kvar flörtkulan i detta läge, vart tog energin vägen som krävdes för att utföra arbetet? Jo, den har nu lagrats i flörtkulan i form av potentiell energi. Precis som boken på bokhyllan i förra exemplet hade möjlighet att röra sig (om den trillar ner ifrån hyllan) så har flörtkulan möjligheten att röra sig om vi släpper taget om den, en möjlighet som den genast tar vara på i samma ögonblick.

Tankenöt: Åt vilket håll kommer flörtkulan att börja röra sig? Hur skulle man kunna ta reda på dess hastighet? Vad behöver man veta för att kunna ta reda på det?

Från en form till en annan - omvandling

Tankenöt: Tyngdlyftaren i bilden tar i som bara den för att hålla skivstången uppe, men utför han något arbete på skivstången om han inte försöker lyfta den högre? Om inte, krävs det ingen energi för att hålla uppe stången? Utför inte tyngdlyftaren något arbete, på något sätt? Omvandlas ingen energi? Blir inte Tyngdlyftaren varm av ansträngningen?

Fil:Tyngdlyftare.jpg

Effekt

effekt är arbete dividerat med tid eller P=W/t.

Djupkunskaper kring energi

När människan uppfann jordbruket ökade behovet av avsiktlig förändring. Läget av skörden skulle ändras från åkern till logen, kornet skulle ändras till mjöl, skogens träd skulle ändras till bräder i husväggar, malm skulle ändras till liar och skäror och så vidare.

Till en början hade man bara tillgång till mänskligt arbete och bränsle. Så småningom började man även utnyttja dragdjur och ännu längre fram även strömmande vatten och vind. För några hundra år sedan började man ana att en förändring kan omvandlas till en annan. Vatten som faller utför en fors kan användas för att lyfta mjölsäckar. Oxar som travar runt i en oxvandring kan dra ett tröskverk. Man behövde ett begrepp för användbar förändring, ett begrepp som var oberoende av vilken typ av förändring det var fråga om. Ett begrepp som angav hur mycket förändring som fanns tillgänglig för omvandling.

Ett sätt att kvantifiera en förändring är att betrakta den som en produkt av två faktorer. En faktor som anger hur stor mängd som förändras (extensiv faktor) och en som anger hur stor förändringen är för varje del av mängden (intensiv faktor). Antag t ex att man skall lyfta en cementsäck från marken upp på ett kärrflak som ligger 0,6 m över marken. Den extensiva faktorn är säckens tyngd, det vill säga den kraft som erfordras för att lyfta den. Den kraften är c:a 250 N. Och varje del av säcken skall lyftas 0,6 m vilket innebär att den intensiva faktorn är 0,6 m. Energin, alltså den förändring som krävs för att få upp säcken på flaket, blir då 250 N x 0,6 m = 150 J (J=Nm).

 Energiform           Intensiv faktor     Enhet Extensiv faktor Enhet  

 Mekanisk energi      Väg                 m     Kraft           N
 Rörelseenergi        Hastighet           m/s   Rörelsemängd    kgm/s
 Värme                Temperaturskillnad  K     Entropi         J/K
 Elektrisk energi     Potentialskillnad   V     Laddning        C ,As

För rörelseenergi gäller att om till exempel en kastboll accelereras från hastigheten noll till utkasthatighet ändras inte bara hastigheten under accelerationen utan även rörelsemängden. Energin vid utkastet blir då hastghetsändingen gången medelvärdet av rörelsemängd under accelerationen det vill säga hälften av massan gånger sluthastigheten i kvadrat.

Rörelsemängd är massa, $m$, gånger hastighet och normalt ändras hastighet genom acceleration vilket innebär en kontinuerlig ändring av rörelsemängd. Det finns emellertid ett fall där detta inte gäller. Det är när massa skapas från någon annan energiform. Den skapas då med ljustets hastighet, $c$, och rörelsemängden blir direkt massan gånger ljushastigheten vilket ger

$E=cmc$

Men hur kan hastigheten bli $c$ ? Svaret är att hastighetens riktning i rum-tiden sammanfaller med koordinattidsriktningen. Den nyskapade massan rör sig som alla andra massor i vår omgivning i koordinattidsriktningen med hastigheten $c$.

Det finns ett samband mellan begreppen tid och energi. Varje gång en detekterbar förändring inträffar någonstans i universum inkrementeras parametertiden. Parametertid är alltså det samma som förändring. En del av den förändring som är tiden är förutsägbar och därmed användbar. Denna del kallar vi energi.

Om vi kan finna ett tillstånd som i något avseende är osannolikt kan vi förutse att det spontant kommer att övergå i ett mer sannolikt tillstånd. Osannolika tillstånd beskriver alltså förutsägbara förändringar. Osannolika tillstånd är alltså energi.

Mer läsning och länkar

Energi på svenska wikipedia
Wikipedia:energy