by Ένα ελατήριο βρίσκεται κατά μήκος ενός άξονα x και το ένα άκρο του είναι στερεωμένο σε ακλόνητο σημείο. Όταν το ελατήριο είναι χαλαρό, το ελεύθερο άκρο του βρίσκεται στη θέση x=0. Όταν το ελατήριο είναι χαλαρό, πόση είναι η ενέργειά του;
Η απάντηση υπάρχει εδώ:
Έχει ενέργεια ένα χαλαρό ελατήριο; – Πρότυπα Θέματα Φυσικής
Καλησπέρα Ανδρέα.
Μεταφέρω και εδώ ένα σχόλιο που έγραψα δίπλα πάνω στο θέμα, που ξαφνικά βλέπω να φουντώνει..
Καλό απόγευμα συνάδελφοι. Μια πρόταση από παλιότερη ανάρτησή μου με αφορμή την δυναμική ενέργεια του ελατηρίου και την συζήτηση που είχε τότε γίνει:
“Η λογική που λέει, μπορώ να αποδώσω ενέργεια και στα δεξιά ελατήρια, γιατί μπορώ να ορίσω όπου θέλω ότι η δυναμική ενέργεια του ελατηρίου είναι μηδενική, οδηγεί σε στρέβλωση κάθε λογικής, πάνω στην έννοια της ενέργειας! ”
Επειδή βλέπω να επανέρχεται το θέμα, δίνω και την ανάρτηση αυτή του 2013, με κλικ ΕΔΩ.
Αν δεν θέλουμε να κάνουμε απλά μαθηματικά, αλλά μιλάμε για φυσική, η γνώμη μου είναι ότι:
Διονύση σε ευχαριστώ.
Με βάση τον ορισμό της δυναμικής ενέργειας διδάσκουμε ότι το σημείο αναφοράς της δυναμικής ενέργειας επιλέγεται στις αυθαίρετα. Τα αντίστοιχα σχήματα λόγου που χρησιμοποιούμε δεν ταυτίζονται με τον ορισμό. Είναι απαραίτητα για να αποκτήσουμε μόνο μια αίσθηση για την έννοια αλλά, όπως συμβαίνει με τα σχήματα λόγου, δεν μπορούν να περιλάβουν όλο το περιεχόμενο που προκύπτει από το αυστηρό ορισμό. Και γι’ αυτό όταν χρησιμοποιούμε σχήματα λόγου και όχι τον αυστηρό ορισμό προκύπτουν παρανοήσεις και παράδοξα. Σε αυτή την περίπτωση μόνο ο αυστηρός ορισμός βάζει τα πράγματα στη θέση τους.
Δεν κατάλαβα Ανδρέα πού χρησιμοποίησα σχήματα λόγου.
Το αρχείο που παρέπεμψα έχω δείξει με παραδείγματα, πώς μπορεί να χαλάσει η σκέψη διδασκόντων και διδασκομένων, αν παραμείνουν στις μαθηματικές αποδειξεις αγνοώντας την ουσιαστική λογική της ενέργειας.
Θα μπορούσα να ακούσω πού υπάρχει διαφωνία, αφού η παραπάνω ανάρτησή σου, το μόνο αποτελεσμα που μπορεί να επιφέρει είναι να χαθεί ο μέσος μαθητής, που διδάσκεται στην προετοιμασία του για την Γ΄Λυκείου, τη δυναμική ενέργεια του ελατηρίου.
Θα ήθελες να έχεις μαθητή, που σε άσκηση ταλαντώσεων, όπου σώμα δεμένο σε οριζόντιο ελατήριο, εκτρέπεται κατά Α και αφήνεται να κινηθεί, να σου απαντήσει ότι η αρχική ενέργεια του συστήματος είναι Ε=Κ+U=0+0=0;
Καλημέρα σας
Ας μου επιτραπεί να εκφράσω καλόπιστα έναν προβληματισμό. Στα κείμενα του κου Μάργαρη καταλαβαίνω οτι η φυσική διαίσθηση απαιτεί φυσική ερμηνεία των απόλυτων τιμών κάθε μορφής ενέργειας. Ας εξετάσουμε λοιπόν την πρόταση: «Ένα σώμα έχει κινητική ενέργεια μηδέν». Σε ποιο φυσικό συμπέρασμα οδηγεί αυτή η πρόταση;
Καλό μεσημέρι Μιλτιάδη.
Βλέπω να διαφωνείς με την θέση που έχω εκφράσει χρόνια τώρα, αλλά δεν διαβάζω αντίρρηση επί των θέσεων. Μιλάω για θέση και όχι για ερώτημα.
Αλλά για να απαντήσω στο ερώτημά σου, ποια η φυσική σημασία το να έχει ένα σώμα μηδενική κινητική ενέργεια, θα πρέπει πρώτα να απαντήσουμε τι σημαίνει ότι ένα σώμα έχει κινητική ενέργεια π.χ. 10 J.
Για μένα ένα σώμα έχει κινητική ενέργεια 10 J.σε ένα σύστημα αναφοράς, σημαίνει ότι στο σύστημα αυτό, μπορεί να προσφέρει ενέργεια σε ένα άλλο σώμα, για παράδειγμα να συγκρουστεί και να θέσει σε κίνηση κάποιο άλλο σώμα, το οποίο ήταν ακίνητο στο σύστημα αυτό. Θα μπορούσε όμως και να αποδείξει ότι έχει ενέργεια, αφού θα μπορούσε, αν βρισκόταν στο έδαφος, να κινηθεί κατακόρυφα και να φτάσει σε ύψος 12m. Θα μπορούσε επίσης κινούμενο το σώμα να μεταφέρει ενέργεια σε ένα ελατήριο, το οποίο, ενώ ηταν …χαλαρό και στο φυσικό μήκος του, συμπίεσε.
Να πω και άλλα πράγματα που μπορεί να κάνει;
Προφανώς αν δεν έχει, κάποια στιγμή, κινητική ενέργεια, δεν μπορεί να κάνει τίποτα από όλα αυτά. Δεν έχει, τη στιγμή αυτή επαναλαμβάνω, την ικανότητα να κάνει τα παραπάνω.
Αν ήμουν φυσικός, θα έλεγα να παράγει έργο…
Καλησπέρα σας.
Κε Μάργαρη — ή μάλλον, Διονύση — δεν διαφωνώ με όσα λες για την κινητική ενέργεια. Νομίζω, όμως, ότι η απάντησή σου ενισχύει τον προβληματισμό μου.
Λες σωστά: «σε ένα σύστημα αναφοράς». Άρα το ίδιο σώμα μπορεί σε ένα σύστημα αναφοράς να έχει KΕ=0 και σε ένα άλλο KΕ =10J. Επομένως, ούτε η αριθμητική τιμή της κινητικής ενέργειας εκφράζει ένα «απόθεμα» ενέργειας ανεξάρτητο από το πλαίσιο αναφοράς. Η φυσική της σημασία είναι πραγματική, αλλά η τιμή της είναι πάντοτε σχετική προς το σύστημα αναφοράς.
Γιατί, λοιπόν, να απαιτούμε από την αριθμητική τιμή της δυναμικής ενέργειας κάτι περισσότερο; Γιατί να πρέπει να έχει φυσικό νόημα ανεξάρτητα από το επιλεγμένο επίπεδο μηδενικής ενέργειας;
Φυσικά, δεν λέω ότι αυτή είναι κατ’ ανάγκην η βέλτιστη διδακτική προσέγγιση σε επίπεδο μαθητή. Δεν παύει, όμως, να αποτελεί μέρος της σωστής φυσικής περιγραφής, κάτι που ορισμένοι πιο ανήσυχοι μαθητές μπορεί ήδη να διαισθάνονται.
Γεια σας. Κάποιες σκέψεις για τη δυναμική ενέργεια, αν μου επιτρέπετε: Σε αυτές με οδήγησαν οι δημιουργικές αντιπαραθέσεις, ιδίως τα ερωτήματα- γόνιμοι προβληματισμοί – του Μιλτιάδη. Η δυναμική ενέργεια αναφέρεται σε σύστημα σωμάτων . Σωμάτων που αλληλεπιδρούν. Δεν έχει νόημα για σώματα που δεν αλληλεπιδρούν καθ’ όλη τη διάρκεια της κίνησης που μελετάμε. Δεν διαμοιράζεται με κανένα τρόπο στα σώματα του συστήματος. Σε ειδικές περιπτώσεις μπορούμε να μιλήσουμε για δυναμική ενέργεια ενός σώματος . Αυτό συμβαίνει όταν κινείται ένα μόνο ένα από τα σώματα του συστήματος όπως το σύστημα Γη-πέτρα καθώς τότε , όταν η δυναμική ενέργεια του συστήματος αυτού γίνει κινητική το ελαφρότερο- η πέτρα- παίρνει πρακτικά όλο το μέρος της. Όταν λοιπόν κινείται ένα μόνο σώμα έχει νόημα να μιλάμε για δυνάμεις που προέρχονται από δυναμική ενέργεια. Ο αυστηρός ορισμός της δυναμικής ενέργειας σε ευθύγραμμη κίνηση περιλαμβάνει μια σταθερά ολοκλήρωσης x0 . Στη θέση x0 η δυναμική ενέργεια είναι μηδέν. Είναι μια αυθαίρετη σταθερά. Η αυθαιρεσία στην επιλογή της σταθεράς x0 οδηγεί σε αντίστοιχη αυθαιρεσία στην τιμή της σταθεράς Ε, δηλαδή της τιμής της μηχανικής ενέργειας.(Κλασική μηχανική Kibble-Berkshire σελ . 16). Η δυναμική ενέργεια είναι καταστατικό μέγεθος όπως η εσωτερική ενέργεια κι η εντροπία στη θερμοδυναμική. Σημασία έχουν οι μεταβολές της.
Όπως αναφέρεται στη Φυσική μέρος Α Halliday-Resnick σελ.158, copyright για την Ελληνική έκδοση 1976:
«η εκλογή ενός σημείου αναφοράς (σ.σ μηδενικής) δυναμικής ενέργειας είναι ασήμαντη γιατί ασχολούμαστε πάντα με διαφορές δυναμικής ενέργειας και όχι με απόλυτες τιμές της δυναμικής ενέργειας σε ένα δοσμένο σημείο» και παρακάτω: « Άρα το σημαντικό για τη μηχανική ενέργεια Ε που είναι το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας δεν είναι η πραγματική τιμή της στη διάρκεια δοσμένης κίνησης αλλά το γεγονός ότι η τιμή της αυτή δεν μεταβάλλεται στη διάρκεια της κίνησης για οποιονδήποτε ορισμένο παρατηρητή όταν οι δυνάμεις είναι συντηρητικές». Τα παραπάνω ισχύουν για όλες τις μορφές δυναμικής ενέργειας. Σε επίπεδο λυκείου θα συμφωνήσω ότι είναι διδακτικά χρήσιμο όταν αναφερόμαστε στη δυναμική ενέργεια ελατηρίου να δίνουμε τη γνωστή σχέση που σημαίνει ότι το ελατήριο έχει αποθηκευμένη ενέργεια –δυναμική ενέργεια- μόνο όταν είναι παραμορφωμένο. Το ίδιο και για την δυναμική ενέργεια σώματος στο μη ομογενές γήινο βαρυτικό πεδίο : Ότι είναι μηδέν όταν το σώμα βρίσκεται στο «άπειρο» και δεν αλληλεπιδρά με τη Γη. Το έργο μας διευκολύνεται γιατί οι μαθητές μας δεν διδάσκονται πανεπιστημιακή φυσική. Όμως η αυστηρή μαθηματική θεμελίωση της δυναμικής ενέργειας δεν θεωρώ σε καμιά περίπτωση ότι είναι κάτι που έρχεται σε αντίφαση με τη φυσική σημασία που της αποδίδουμε, ότι οδηγεί σε στρεβλώσεις, αλλά αντίθετα την επεκτείνει και την εμβαθύνει.
Καλησπέρα συνάδελφοι. Διαβάζοντας τις τοποθετήσεις σας, ας γράψω κάτι από τη μεριά μου: νομίζω ότι όλοι συμφωνούμε πώς μετρήσιμο ενδιαφέρον έχουν οι μεταβολές και όχι οι απόλυτες τιμές ενέργειας. Αυτό που δεν αντιλαμβάνομαι είναι το πού εξυπηρετεί διδακτικά ο μηδενισμός της δυναμικής ενέργειας ελατηρίου σε κάποιο σημείο εκτός της θέσης φυσικού μήκους του.
Συνάδελφοι καλησπέρα.
Αν διαβάσετε την ανάρτηση του 2013 που ανέφερα στη συζήτηση, θα διαπιστώσετε ότι αποδέχομαι την μαθηματική λογική που λέει ότι σε όποια θέση και να ορίσουμε ως μηδενική δυναμική ενέργεια, το πρόβλημα επιλύεται μαθηματικά, αφού το ζητούμενο δεν είναι πόση είναι η ενέργεια, αλλά πόσο έργο παράγεται σε μια μεταβολή.
Ας μην δικαιολογούμαι για τα αυτονόητα.
Όποιος θέλει το διαβάζει και το βρίσκει…
Δυστυχώς όμως δεν υπάρχουν ερωτήματα μόνο για το έργο κατά μια μεταβολή, αλλά και ερωτήματα για το πόση είναι η κινητική ενέργεια, πόση είναι η δυναμική ενέργεια, πόση είναι η μηχανική ενέργεια; Έχετε δει τέτοια ερωτήματα συνάδελφοι ή μόνο για έργα συζητάμε;
Ευτυχώς εγώ δεν έχω πια μαθητές και δεν θα βρεθώ στην δύσκολη θέση να εξηγώ κάθε φορά στους μαθητές μου ότι το ερώτημα “πόση είναι η κινητική ενέργεια” δεν έχει απάντηση, αφού η τιμή της εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς.
Ούτε να δικαιολογώ γιατί δεν γνωρίζω πόση ενέργεια έχει ένα χαλαρό ελατήριο, αφού πρέπει να υπολογίσω το άθροισμα των κινητικών ενεργειών των δομικών τους λίθων (και αντε να βρούμε και το σύστημα) και το άθροισμα των δυναμικών τους ενεργειών, λόγω αλληλεπίδρασης και να ξεκαθαρίσω πόσες από αυτές τις ενέργειες είναι “εσωτερική ενέργεια” και πόση δυναμική ενέργεια, αφού σπείρες είναι αυτές, ορισμένου σχήματος, κάποια ενέργεια χρειάστηκε για να σχηματιστούν…
Να πω ότι ένα ελατήριο στο φυσικό μήκος του δεν έχει δυναμική ενέργεια παραμόρφωσης; Θα βρεθεί κάποιος συνάδελφος που θα φωνάξει ότι αυτό είναι λάθος!
Και άντε μετά να δικαιολογώ το λάθος μου.
Αυτό που θα ήθελα να ήξερα θα ήταν μόνο την απάντηση που περιμένω από το 2013.
Στην εικόνα που είχα ανεβάσει στο αρχείο, τι πρέπει να απαντήσει ένας μαθητής;
Ποιο σύστημα έχει μεγαλύτερη ενέργεια το (α) ή το (β);
Στο σχήμα έχει σημειωθεί το επίπεδο μηδενικής ενέργειας και για το βαρυτικό πεδίο και για τη θέση που τα ελατήρια έχουν μηδενική δυναμική ενέργεια.
Καλησπέρα συνάδελφοι
Το ερώτημα ενός ανήσυχου μαθητή δεν ήταν αν μας βολεύει διδακτικά να παίρνουμε U=0 στο φυσικό μήκος. Ήταν αν επιτρέπεται φυσικά να επιλέξουμε διαφορετικό σημείο μηδενισμού.
Η δική μου τοποθέτηση εστίασε ακριβώς σε αυτό. Και από τη στιγμή που η δυναμική ενέργεια ορίζεται με αυθαιρεσία σταθεράς, η επιλογή άλλου μηδενικού δεν αποτελεί «στρέβλωση».
Φυσικά, δεν γνωρίζω όλη την προϊστορία του χώρου και έθεσα καλόπιστα έναν προβληματισμό. Δεν περίμενα, όμως, ότι μια τέτοια απορία θα αντιμετωπιζόταν ως κάτι που δεν πρέπει να συζητηθεί.
Αλήθεια, όταν ένας ανήσυχος μαθητής σας θέτει ένα τέτοιο ερώτημα, πώς το αντιμετωπίζετε;
Καλησπέρα Μιλτιάδη. Αν έχεις παρακολουθήσει τις συζητήσεις μας εδώ, θα έχεις διαπιστώσει ότι κάθε ερώτημα και κάθε απορία αντιμετωπίζεται με σεβασμό προς το συνομιλητή και πάντα καλοπροαίρετα. Κάποιες φορές ίσως ανάβουν λίγο τα αίματα, αλλά κι αυτό ανθρώπινο είναι. Η απορία που διατύπωσες εδώ δεν αποτελεί κάποιο είδος ταμπού, το οποίο απαγορεύεται να συζητηθεί. Πολλά έχουν συζητηθεί ξανά και ξανά στο χώρο αυτό και για κάποια υπάρχουν ακόμη διαφωνίες. Όλες αυτές οι συζητήσεις μάς έχουν κάνει και εξακολουθούν να μας κάνουν καλύτερους στη διδασκαλία. Στον ανήσυχο μαθητή θα απαντούσα κατ’ ιδίαν σε κάποιο διάλειμμα, ότι η απορία του είναι μεν εύστοχη, αφού το να ορίσει το μηδέν για την ελαστική δυναμική ενέργεια εκτός θέσης φυσικού μήκους δεν είναι μεν “παράνομο”, αλλά δεν διευκολύνει ιδιαίτερα την περιγραφή των φαινομένων και οπωσδήποτε δεν βοηθάει και το μέσο μαθητή, για τον οποίο όλοι μας νοιαζόμαστε.
Αποστόλη σε ευχαριστώ για την απάντηση.
Ανδρέα, αν μου επιτρέπεις το σχολιασμό, θα ήθελα να γράψω κάποιες σκέψεις αλλά τώρα μετά την ήττα της Αργεντινής δεν έχω διάθεση…
Καλημέρα σε όλους.
Συμφωνώ με την άποψη του Αποστόλη
“το μηδέν για την ελαστική δυναμική ενέργεια εκτός θέσης φυσικού μήκους δεν είναι μεν “παράνομο”, αλλά δεν διευκολύνει ιδιαίτερα την περιγραφή των φαινομένων”
Αυτή την άποψη έχω υποστήριξει εδώ:
Ελεύθερη πτώση με μηδενική μηχανική ενέργεια,
ΑΑΤ με μηδενική μηχανική ενέργεια
Έχει ενέργεια ένα χαλαρό ελατήριο;
Διονύση καλησπέρα. Κάποιες σκέψεις για το θέμα των δύο ίδιων συστημάτων ελατήριο – σώμα.1. Όπου κι αν τοποθετηθεί ένα τέτοιο σύστημα, εντός του ομογενούς βαρυτικού πεδίου δεν αλλάζει τίποτα για την κίνηση που θα κάνει κάτω από τις ίδιες αρχικές συνθήκες. Για παράδειγμα για ίδια εκτροπή από τη θέση ισορροπίας. 2 . Τα συστήματα (α) και (β) δεν αλληλεπιδρούν. Συνεπώς δεν έχει κατά τη γνώμη μου καμία σημασία να ορίζεται η ίδια θέση μηδενικής δυναμικής ενέργειας για τα δύο πανομοιότυπα αλλά ανεξάρτητα μεταξύ τους συστήματα. Αυτό έχει νόημα να γίνεται ξεχωριστά για κάθε σύστημα . 3. Είτε για το (α) είτε για το (β) όσο πιο κάτω από τη θέση ισορροπίας είναι το επίπεδο U=0 , όσο μεγαλύτερο είναι το y1 τόσο μεγαλύτερη κατά απόλυτη τιμή είναι η αρνητική Uελ. Αυτό είναι λογικό καθώς η φυσική σημασία του είναι ότι αν η Uελ για επιμήκυνση Δl+ y1 είναι μηδέν, η Uελ για επιμήκυνση Δ l θα είναι,ως μικρότερη, αρνητική και η θετική Uβαρ δεν την αντισταθμίζει. Στο δια ταύτα αυτό που υποστηρίζω είναι το ότι δεν έχει να κάνει με τον … προβληματικό αυστηρό ορισμό της δυναμικής ενέργειας αυτό που βρήκες αλλά στο ότι δεν έχει νόημα να ορίζουμε το ίδιο επίπεδο U=0 για δύο ανεξάρτητα μεταξύ τους όμοια συστήματα δεδομένης της άνευ ιδιαίτερης σημασίας τιμής της δυναμικής ενέργειας και της καθοριστικής σημασίας των διαφόρων της για κάθε σύστημα ξεχωριστά.
Καλό απόγευμα Γιώργο.
Άρα σύμφωνα με το παραπάνω επιχείρημά σου, δεν έχει νόημα να συγκρίνουμε τις ενέργειες για δυο σώματα (υλικά σημεία) που το ένα αφήνεται (να πέσει) από ύψος 10m από το έδαφος και το άλλο από ύψος 210m, αφού δεν αλληλεπιδρούν και είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους.