Δυναμική ενέργεια – συντηρητικές δυνάμεις.

Δημοσιεύτηκε από το χρήστη Διονύσης Μάργαρης στις 27 Νοέμβριος 2010

Χθες αργά το βράδυ, με πήρε τηλέφωνο ένας νέος συνάδελφος ο Σ…… και μου ζήτησε να συζητήσουμε πάνω στο θέμα που είχα θέσει για τη δυναμική ενέργεια, σε παράπλευρη συζήτηση, ξεκαθαρίζοντάς μου από την αρχή, ότι αυτός δεν ξέρει, δεν έχει άποψη απλά προσπαθεί να μάθει μέσα από τη συζήτηση. Συμφώνησα και προχωρήσαμε σε αναλυτική συζήτηση, προσπαθώντας να απαντήσω στα επίπονα ερωτήματά του, βλέποντας ότι σε μερικά μάλλον τον έπειθα ενώ σε άλλα όχι. Λίγο πριν κλείσει το τηλέφωνο μου λέει: Κ. Μάργαρη γιατί δεν ανοίγετε μια συζήτηση στο δίκτυο να τοποθετηθούν και άλλοι συνάδελφοι; Ίσως έτσι μπορέσω να διαμορφώσω μια καλύτερη άποψη, που να μην στηρίζεται μόνο στην υποκειμενική σας θέση.

Ας κάνω λοιπόν μια προσπάθεια να θέσω τα ερωτήματα, έτσι χωρίς απόλυτη ταξινόμηση, όπως μου έρχονται στη μνήμη, τονίζοντας ότι μπορεί και να ξεχάσω κάποια, αλλά φίλε Σ….. αν συμβεί αυτό, να ξέρεις ότι θα επανέλθω, χωρίς να κρύψω συνειδητά κάποιο.

• Τι ακριβώς είναι αυτό που αποκαλούμε δυναμική ενέργεια; Πού αποδίδεται; Σε ένα σώμα, σε ένα σύστημα; Μπορούμε να ξέρουμε πόση είναι η δυναμική ενέργεια; Όταν ένα σώμα βρίσκεται σε κάποιο ύψος έχει δυναμική ενέργεια λόγω βάρους, ναι ή όχι; Συνεπώς η δυναμική του ενέργεια συνδέεται με το βάρος. Αντίστοιχη κατάσταση έχουμε και στην περίπτωση δύο φορτίων, είναι έτσι;
• Πότε μια δύναμη ονομάζεται συντηρητική (διατηρητική); Μια τέτοια δύναμη συνδέεται πάντα με μια δυναμική ενέργεια;

Ξέρουμε ότι τα έργα των βαρυτικών και των ηλεκτροστατικών δυνάμεων  συνδέονται με μεταβολές της δυναμικής ενέργειας, συνεπώς οι δυνάμεις αυτές είναι διατηρητικές δυνάμεις. Αλλά τότε γιατί δεν το λέμε από την αρχή, σαν μια ιδιότητα των βαρυτικών και των ηλεκτροστατικών και ορίζουμε τις συντηρητικές δυνάμεις; Υπάρχουν και άλλες; Μα εγώ ξέρω ότι όλες και όλες οι δυνάμεις είναι τέσσερις.  Δεν νομίζω να μιλάς για τις ισχυρές ή ασθενείς πυρηνικές; Προφανώς όχι, τουλάχιστον όταν μιλάμε για το μακρόκοσμο. Ενώ γενικά οι ηλεκτρομαγνητικές είναι μη συντηρητικές, έτσι δεν είναι;

Και αν είναι έτσι, τότε γιατί οι δυνάμεις των ελαστικών παραμορφώσεων είναι συντηρητικές; Ηλεκτρομαγνητικής φύσεως δεν είναι; Δεν είναι της ίδιας φύσης με τη δύναμη της τριβής;  Από μη συντηρητικές δυνάμεις «δημιουργούνται» συντηρητικές;

• Λέτε ότι: «Βλέπουμε δηλαδή ότι το έργο δεν εξαρτάται από τη διαδρομή, αλλά μόνο από την αρχική και τελική θέση. Αλλά τότε είναι ΒΟΛΙΚΟκαι ΕΞΥΠΝΟ να αποδώσουμε κάποια ποσότητα, την οποία ονομάζουμε δυναμική ενέργεια του σώματος στις θέσεις Α και Β, όπου το παραπάνω έργο της δύναμης να είναι ίσο με:

W_ΑΒ= U_Α-U_Β.

Δηλαδή τι εννοείτε; Το σώμα δεν έχει δυναμική ενέργεια, αλλά εμείς την αποδίδουμε; Εμείς δηλαδή λέμε ότι έχει ενέργεια, χωρίς αυτό να έχει; Δεν είναι παράλογο αυτό;

• Ποιος ο λόγος να ορίσουμε δυναμική ενέργεια; Δεν θα μπορούσαμε να αντιμετωπίσουμε κάθε πρόβλημα που μας παρουσιάζεται χωρίς να χρησιμοποιήσουμε τους όρους «δυναμική ενέργεια» ή «μηχανική ενέργεια»; Και αλήθεια, τι πραγματικά είναι η μηχανική ενέργεια; Σε τι διαφέρει από άλλα είδη ενέργειας, ώστε να της δίνουμε τόση ιδιαίτερη σημασία;
• ΑΔΜΕ. Πότε εφαρμόζεται η αρχή αυτή; Όταν έχουμε ένα σύστημα σωμάτων ή ένα μόνο σώμα; Και αν εφαρμόζεται σε σύστημα, πρέπει να είναι μονωμένο; Αλλά τότε οι ασκούμενες δυνάμεις θα είναι μόνο εσωτερικές, έτσι δεν είναι; Από αυτό προκύπτει ότι πρέπει οι δυνάμεις αυτές να είναι και συντηρητικές; Αν δεν είναι; Δεν ισχύει η ΑΔΜΕ;

Ας δούμε ένα παράδειγμα.

Η ράβδος του σχήματος μπορεί να στρέφεται γύρω από άξονα που περνά από το άκρο της Ο, ενώ στο μέσον της ηρεμεί ένα σώμα Σ. Αφήνουμε το σύστημα να κινηθεί από τη θέση (α) και μετά από λίγο βρίσκεται στη θέση (β), όπως στο σχήμα.

Το σώμα Σ δεν γλίστρησε. Ισχύει η ΑΔΜΕ για το σώμα Σ; Για το σύστημα Σ-Γη; Για το σύστημα Ράβδος-Σ-Γη; Η στατική τριβή που ασκείται στο Σ, παράγει έργο; Η μηχανική ενέργεια μειώθηκε; Τελικά μπερδεύτηκα ή η στατική τριβή είναι συντηρητική δύναμη ή η μηχανική ενέργεια δεν διατηρήθηκε…

Αλλά και ένα δεύτερο παράδειγμα:

Η τάση του νήματος παράγει έργο; Είναι συντηρητική δύναμη; Διατηρείται η μηχανική ενέργεια μεταξύ των θέσεων (α) και (β);

• Μήπως η συντηρητικότητα η μη των δυνάμεων πρέπει να καθοριστεί με βάση το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα; Μήπως η μηχανική ενέργεια είναι αυτή η ενέργεια που χαρακτηρίζεται από πλήρη προσανατολισμένη οργανωμένη κίνηση, συνεπώς η ενέργεια εκείνη που έχει σταθερή εντροπία; Και αν δεν υπάρχει λόγος η ενέργεια αυτή να υποβαθμιστεί, οπότε να αυξηθεί η εντροπία, τότε και διατηρείται. Ή με άλλα λόγια η τριβή ολίσθησης μήπως μετατρέπει την (μηχανική) κινητική ενέργεια ενός σώματος σε άτακτη θερμική κίνηση των δομικών του λίθων, οπότε είναι μια μη συντηρητική δύναμη; Κάνει το ίδιο η στατική τριβή;

Αλλά τότε τι τριβή είναι αλήθεια αυτή; Μήπως μας παρασύρει το όνομά της; Κάνει καμιά υποβάθμιση της μηχανικής ενέργειας, μέσω του έργου της; Αν ασκείται δηλαδή σε ένα σώμα στατική τριβή, τότε η μηχανική ενέργεια δεν διατηρείται; Ας δούμε ένα παράδειγμα, όπου τα δύο αμαξίδια, συμπιέζουν ένα ελατήριο. Αφήνουμε το σύστημα ελεύθερο και μετά από λίγο τα αμαξίδια κινούνται. Στο (α) σχήμα, πάνω στο Α αμαξίδιο υπάρχει το σώμα Σ, το οποίο δεν γλιστρά, ενώ αντίθετα στο (β) γλιστρά και σταματά την ολίσθησή του, μετά από λίγο.

Στην πρώτη περίπτωση, ποια δύναμη επιτάχυνε το σώμα Σ; Η κινητική ενέργεια που απέκτησε, μέσω ποιου έργου μπορεί να υπολογιστεί; Διατηρείται η μηχανική ενέργεια στο (α) σχήμα; Στο (β);

• Και ένα τελευταίο κ. Μάργαρη. Κατά μήκος ενός τεντωμένου σχοινιού διαδίδεται ένα κύμα που δημιουργείται από την κίνηση του χεριού μας.

Έστω δύο στοιχειώδεις μάζες Β και Γ, όπου η Β έχει μηδενική και η Γ μέγιστη ταχύτητα ταλάντωσης. Έχει ενέργεια η μάζα Γ, ποιας μορφής και πόση είναι; Η μάζα Β; Έχει περισσότερη από την Γ ή λιγότερη;

Αυτά περίπου τα ερωτήματα μου έβαλε ο φίλος Σ……… και περιμένει τις δικές σας απαντήσεις θέλοντας να αποκτήσει σαφή θέση πάνω στα ερωτήματα περί δυναμικής-μηχανικής ενέργειας…

Σχόλια