Înapoi la: Studiu de caz: Natura
Forță. Energie. Putere. Câmp
In această lecție ne propunem să înțelegem patru elemente fundamentale ale fizicii. Le numim fundamentale pentru că întreaga fizică este construită pe ele: câmpul, forța, energia, puterea.
Cea mai mare dificultate în înțelegerea acestor concepte este faptul că nu pot fi văzute în mod direct, dar pot fi simțite efectele lor. Uneori le simțim în mod direct, așa cum se întâmplă cu forța gravitațională atunci când aruncăm un obiect de sus și îl vedem căzând înapoi pe pământ. La fel se întâmplă cu radiațiile. Dacă într-o cameră rece aprindem soba, simțim căldura radiind de la ea. Și cu cât ne apropiem mai mult de sursa de radiație (soba), căldura va fi mai puternică. Alteori simțurile noastre nu ne ajută și avem nevoie de instrumente mai complicate. Radioul sau televiziunea sunt un exemplu cât se poate de simplu. Nu putem percepe undele radio, dar ne putem cumpăra un aparat de radio care le percepe și le transformă în sunete, pe care le putem auzi foarte ușor.
Este oare o diferență între lumină, căldură, undele radio și alte tipuri de radiație? În esență, nu.
- Câmpul
Dintre cele patru subiecte, acesta este cel mai dificil. Nu vom da o definiție, ci doar o explicație, aproximativă, dar care face totul mai ușor de înțeles: un câmp este "ceva" care acționează asupra "altceva" dacă acest "altceva" se află suficient de aproape. De exemplu, planetele sistemului solar se rotesc în câmpul gravitațional al Soarelui.
Ca să „apară” un câmp este nevoie de o „sursă” – o particulă de exemplu. Odată ce acest câmp s-a format, el va acționa asupra celorlalte particule din aceeași zonă: electroni, magneți, corpuri de diferite mase (noi, de ex.).
Câmpul acționează până la o anumită distanță (rază de acțiune). Iar intensitatea lui, adică forța cu care poate acționa, scade pe măsură ce ne îndepărtăm de sursă, până dispare cu totul. Cele mai cunoscute câmpuri sunt cel electromagnetic (despre care au vorbit prima oară Faraday și Maxwell acum vreo 200 de ani) și cel gravitațional (despre care a vorbit Newton acum vreo 350 de ani), dar și câmpul care ne permite, de exemplu, să ascultăm radioul sau să avem acces la Internet. Și așa apare termenul de forță!
- Forța
Vom exemplifica ideea de forță după cum urmează: dacă cineva ne ia de mână și ne trage, noi putem să nu opunem rezistență și să îl urmăm. Cel care ne trage este forța care ne pune în mișcare. Dacă întâlnim un obstacol, cum ar fi un perete, trebuie să ne oprim. În fizică se spune că forța are și mărime și direcție, adică este un vector! Mărimea forței se măsoară în Newtoni (N). În fizică deci, o forță este orice interacțiune care, în absența unei acțiuni contrare, schimbă starea unui corp, punându-l în mișcare chiar dacă acesta se află în repaus.
Dar nu este același lucru să pui în mișcare un obiect ușor sau unul greu. Forța va depinde, deci, de masa obiectului, dar și de accelerația pe care i-o imprimă F = m x a, unde m este masa corpului. Exemple de mărime a unei forțe într-un câmp gravitațional: o masă de 1kg aflată în câmpul gravitațional al Pământului exercită o forță de aprox. 10 N; un măr mediu, 1N; un om obișnuit exercită o forță de aprox. 608 N.
3. Energia
Energia este o „mărime”, o „proprietate cantitativă” care trebuie transferată unui corp pentru ca acesta să se miște (sau să se oprească), sau să se încălzească. Este foarte important să ținem minte că energia, se conservă, adică nu se poate nici pierde, nici câștiga – ea se poate doar transforma, sau converti într-o altă formă de energie. De exemplu, atunci când mergem transformăm energia primită de la mâncare în energie mecanică de deplasare. Când punem benzină în mașină transformăm energia chimică a benzinei tot în energie mecanică. Iar când băgăm în priză o lampă, transformăm energia electrică în lumină. Plantele iau energie luminoasă de la soare și o transformă prin procesul de fotosinteză în energie chimică.
Energia se măsoară în Jouli (după numele lui James Joule, 1818-1889, fizician, matematician și ...berar, unde 1J = 1N x 1m). Putem vorbi despre energie cinetică, în cazul unui corp în mișcare și de energie potențială, în cazul unui corp aflat în repaus în diverse câmpuri de forțe: gravitaționale, electrice sau magnetice, elastice (când „întind”, „trag” de un corp solid), chimice (ardere de combustibil, energia radiantă pe care o poartă lumina) și termice. De exemplu, 1J – este energia necesară pentru a arunca „în sus” un măr sau energia termică emisă de o persoană în 0.01 secunde. Organismele vii au și ele nevoie de energie. De unde? De la ceea ce mănâncă, de la sobă sau calorifer, de la Soare.
4. Puterea
Puterea este cantitatea de energie transferată sau transformată într-o secundă și se măsoară în J/s, unitate care se numește watt (W. James Watt a fost inginer, chimist și inventator. Lui îi datorăm mașina cu aburi, fără de care revoluția tehnică și industrială n-ar fi avut loc acum peste 200 de ani). Să nu uităm că mai există o măsură a puterii, pe care am păstrat-o din istorie și pe care o folosim și acum pentru a descrie puterea motoarelor: calul-putere. Un cal-putere este echivalentul a 750 de wați. Un exemplu simplu pentru noțiunea de putere îl găsim la mașini: o mașină cu un motor de 40 de cai putere va accelera de pe loc până la 100 de km/oră de patru ori mai încet (sau într-un interval de timp de patru ori mai lung) decât o mașină cu un motor de 160 de cai putere. Vedem aici cum un motor mai puternic va face transfera aceeași cantitate de energie într-un timp mult mai scurt.