1.2 Donem i prenem energia a un objecte

La muntanya russa i el pèndol

A la vostra muntanya russa heu pogut veure que si deixem anar la bola des d’una posició elevada (1) al final ja no puja més enllà d’un nivell força més baix (2).

1. Volem comparar-ho amb el que passa amb un pèndol.

•Munteu un pèndol subjectat per dalt de manera ben ferma

•Poseu-lo davant d’una línia ben horitzontal que us pugui servir de referència, com la línia vermella del dibuix

•Situeu el pèndol a l’altura de la línia de referència (posició 1) i deixeu-lo anar

•Observeu atentament fins a quina altura arriba a l’altre costat en la primera mitja oscil•lació

•En el dibuix situeu aproximadament el punt més extrem que ha arribat i compareu el nivell d’arribada amb el de sortida

a) Pel que fa a recuperar l’altura que havia tingut, quina diferència destacaries al comparar el moviment del pèndol i el de la muntanya russa?

b) Intenteu fer una llista de motius perquè els dos comportaments siguin tan diferents.

c) Tenint-los en compte, penseu formes d’aconseguir que el comportament del pèndol s’assembli més al de la muntanya russa i anoteu-les. Abans de donar-les per bones, comproveu-les.

L’energia del moviment

Estem d’acord que com més corre la bola de la vostra muntanya russa més energia té? Com que un objecte pot tenir energia relacionada amb diferents propietats, per no haver de dir “l’energia que està associada a la velocitat” d’un objecte, buscarem un nom més curt per a aquests casos.

L’energia que té un objecte, associada a la seva velocitat, l’anomenem energia cinètica.

Nosaltres, la pilota de ping-pong i l’energia cinètica

Tant a la muntanya russa com en el pèndol hem vist com la velocitat d’un objecte augmenta i disminueix. I que sembla que l’alçada on és hi tingui relació.

2. Ara el que farem serà investigar com augmentem i disminuïm la velocitat d’un objecte sense que hi intervingui un canvi d’alçada.

Per a això necessitem una taula plana i més aviat gran i una pilota de ping-pong. Caldrà fer una força més o menys constant sobre la pilota. Ho podeu aconseguir bufant-la sempre amb la mateixa intensitat i des d’una distància semblant. Per mantenir-hi la distància, qui bufa haurà d’anar seguint la bola.

a) Comenceu amb la pilota immòbil i que algú bufi fent-li una força tan constant com sigui possible i mantenint la direcció.
b) Fixant-te en el tipus de moviment que li heu provocat (accelerat, frenat, uniforme, desviat cap a la seva dreta…) diries que li heu donat o li heu pres energia? Com ho saps?

c) Dins del requadre amb la bola, que mostra la taula vista des del damunt, dibuixa cap a on va la pilota utilitzant línies cinètiques, com en els còmics,. Indica amb una fletxa vermella cap a on va la força que rep. Marca el recorregut amb una línia blava discontínua. Anota-hi també el tipus de moviment.

d) Dos de vosaltres us col·loqueu en costats oposats de la taula. Un bufa la pilota o la fa baixar per una petita rampa per accelerar-la. Un cop té prou velocitat, el de l’altra banda comença a bufar-la suaument intentant fer-li una força constant fins que s’atura. Deixant de banda l’acceleració inicial, quin ha estat ara el tipus de moviment?

e) Li heu donat o li heu pres energia? En què et fixes per dir-ho? És energia cinètica?

f) Dins del requadre, dibuixa de manera semblant a l’anterior el que ha succeït, indicant-hi el tipus de moviment.

g) Torneu a posar en marxa la pilota i quan tingui prou velocitat caldrà començar a bufar-la suaument de costat, perpendicularment al seu moviment. A partir de llavors, quin ha estat ara el tipus de moviment?

h) Li heu donat o li heu pres energia cinètica? Per què ho dius?

i) Dins del requadre dibuixa la nova situació, repetint la força en diferents posicions de la pilota.

Encara que no ho sembli, aquests tres resultats són molt importants. Més endavant els reprendrem com un principi important de la física que relaciona la força amb el moviment.

3. Pensem una mica per saber de què depèn l’energia cinètica d’un objecte. Pots valorar-ho tenint en compte la violència de l’impacte si xoqués amb alguna cosa.

a) Comparant cada parell de casos, de quins factors creus que depèn l’energia cinètica d’un objecte? De quina manera?

b) Després d’això ja pots completar la frase:

L’energia cinètica d’un objecte és més gran com més…

Hi ha alguna relació entre força i energia?

Pel mateix motiu que hem introduït el terme “energia cinètica” ara n’hem d’introduir un altre per escurçar les frases quan parlem de força, desplaçament i transferència d’energia.

Quan un objecte guanya o perd energia perquè rep una força mentre recorre una distància, direm que la transferència d’energia s’ha produït en forma de treball.

4. Tornem als tres casos anteriors amb la pilota de ping-pong. Per a cada cas,

a) dibuixa a la taula següent una fletxa vermella que indiqui la força que estava rebent

b) dibuixa-hi en blau la distància recorreguda mentre rebia la força

c) a la dreta, indica en quines condicions rep energia en forma de treball o en perd

quan
s’accelera

Quan la força va en el mateix sentit
que el desplaçament…

quan
es frena

Quan la força va…

quan
es desvia

Quan la força…

La nau Apol·lo 15 en òrbita lunar el 1971. S’hi han assenyat alguns dels grups de petits motors encarregats de fer girar, orientar i estabilitzar la nau mitjançant la realització de petits impulsos. A l’esquerra s’hi veu la gran tovera del motor principal, molt més potent, encarregat d’accelerar i frenar la nau. (NASA)

La relació que hem vist entre treball, força, desplaçament i energia la podem aplicar a diversos casos.

5. Dibuixa al costat de cada imatge un diagrama de la força i el moviment. Digues també com s’ha fet el treball i si ha donat o pres energia a l’objecte.

a) Hem bufat i l’aire s’ha posat en moviment

b) Xutem una pilota

c) La pilota va a parar a la xarxa

d) Una pilota de golf va rodolant per la gespa fins que s’atura

6. Ara, pensant en els objectes següents ens plantejarem si hi pot haver treball sense força o sense desplaçament. Explica si hi ha treball o no.

a) La columna d’un temple grec dona energia a allò que té al damunt?

b) La nau Voyager 1 des de l’any 1977 s’allunya del Sol a gran velocitat (61 198,17 km/h el 2019) i sense combustible (és tan lluny del Sol que pràcticament ja no en rep força). Està fent o rebent treball? Com pot córrer tant sense motor?

c) La Terra, a través de la força de gravetat dona o pren energia a un ciclista que va per un terreny pla?

d) En resum, les condicions perquè hi hagi treball són aquestes tres:

·

·

·

e) El remolcador està fent un treball sobre el vaixell. Tenint en compte la resposta anterior, quines tres modificacions hi faries si volguessis augmentar el treball realitzat?

·

·

·

7. Fixem-nos en la Lluna. Sabem que va girant a l’entorn de la Terra seguint una òrbita més o menys circular. Pensem com és possible.

a) Ja vam veure que la Lluna trigava unes quatre setmanes a fer una volta a la Terra. Per la seva trajectòria i pels seus possibles canvis de rapidesa, com qualificaries aquest moviment?

b) Tenint-ho en compte, dibuixa en el diagrama un breu desplaçament de la Lluna i la força que la Terra li fa mentrestant, capaç d’originar la classe de moviment que acabes de dir. (NASA)

c) La Terra transfereix energia a la Lluna en forma de treball? Argumenta-ho.

d) Cal que els satèl·lits artificials en òrbita de la Terra mantinguin un motor engegat per seguir girant?

e) L’estació espacial internacional (ISS) necessita que de tant en tant un coet li doni una empenta i li augmenti la velocitat perquè si no, podria caure a la Terra. Com interpretes en termes de treball i energia que perdi velocitat?

Alçada de l’ISS entre 2018 i 2019 mostrant el seu descens continu i diversos impulsos cap amunt. Pots trobar el gràfic actualitzat aquí (www.heavens-above.com).

Jo no sóc una columna!

En un exercici anterior hem analitzat si una columna feia treball i hem decidit que no, perquè malgrat que fa força, no hi ha cap desplaçament. (Si no fos així, hauríem de subministrar energia a les columnes dels edificis!: menjarien? gastarien piles?)

Però és possible que t’hagi quedat un cert dubte. Perquè si haguessis de fer de columna, ben segur que et cansaries i arribaria un moment que et faltaria energia per continuar. Les ‘cariàtides’ de l’Acròpolis d’Atenes que fan de columna són de pedra i no gasten energia, però si fossin persones, sí? Com és possible? Hi ha alguna cosa que falla?

El pòrtic de les cariàtides forma part d’un dels temples de l’Acròpoli d’Atenes.

No falla res, però cal comprendre el més essencial de com es realitza la contracció muscular.

El pòrtic de les cariàtides forma part d’un dels temples de l’Acròpoli d’Atenes. A l’interior d’un múscul hi ha dos tipus de fibres, posades de costat. Una, la més prima, està formada sobretot per una proteïna anomenada actina. L’altra, més gruixuda, són fibres formades per una altra proteïna anomenada miosina. Cadascuna de les fibres de miosina acaba en un cap més engruixit que es pot unir a determinats punts de la fibra d’actina (1) i empènyer-la mentre es doblega (2).

Aquest cap de miosina, doncs, fa força contra la fibra d’actina mentre la desplaça; per tant, fa un treball que requereix energia. Un cop realitzat el treball, el cap de miosina es desenganxa, es desplaça a la posició inicial i s’enganxa en un altre punt de l’actina per repetir l’estrebada. El conjunt de totes aquestes breus estrebades entre molts caps de miosina i moltes fibres d’actina, constitueix la contracció muscular, que va encongint el múscul mentre fa força i realitza un treball.

Però per fer força sense moviment… per què cal energia? El múscul manté la tensió perquè les petites estrebades de la miosina contra l’actina segueixen i segueixen, fent petits desplaçaments que poden ser compensats per les parts elàstiques del múscul, que poden tornar la fibra d’actina a la posició anterior. D’aquesta manera sembla fer-se una força continuada.

Cada estrebada segueix consumint energia i realitzant un treball. Però com que aquest treball no va a parar a cap objecte exterior, l’energia resta al múscul i acaba escalfant-lo.

Vet aquí per què fer de cariàtide, tot i estar immòbil, resulta cansat. I fa suar!

Fem un cop d’ull a les unitats internacionals

Les unitats internacionals de distància (d) i temps (t) i
els seus símbols, són el metre (m) i el segon (s).

La massa (m) d’un objecte mesura la quantitat de matèria que el compon. La seva unitat és el kilogram, símbol kg. Es pot mesurar amb balances de dos plats.

La unitat de força (F) és el newton, que pronunciem com en anglès, símbol N. Es mesura amb dinamòmetres o amb balances d’un sol plat.

(De fet, encara ens pesem en quilos, kp; un quilo de força equival a 9,8 N, però en els exercicis podem arrodonir-ho a 10 N excepte quan calgui més exactitud). El pes d’un objecte és la força d’atracció cap avall que li fa el planeta més proper; com que és una força, també es mesura en newtons.

8. Pensem-hi una mica. Hem pesat un bidó mitjançant unes balances de dos plats i també amb un dinamòmetre industrial. Tots dos instruments ens diuen que pesa 24 ‘quilos’.

a) Quins serien aquests dos resultats, expressats en les unitats del sistema internacional?

b) A la superfície de la Lluna qualsevol cosa hi pesa més o menys la sisena part del que pesa a la superfície de la Terra. Allà a la Lluna, doncs, quina seria la massa i el pes del mateix bidó?

c) D’aquestes dues magnituds, la massa i el pes del mateix objecte, per què n’hi ha una que depèn del lloc on som i una altra que no?

d) Perquè t’ajudi a recordar aquestes informacions, completa, a l’Annex 1, el quadre de magnituds mecàniques.

Podem calcular l’energia transferida en forma de treball?

Tractor llaurant un camp utilitzant cinc relles, indicades amb fletxes.
Les platges també es llauren per remoure la sorra i així sotmetre-la a l’acció bactericida de la llum solar ultraviolada. Aquí el tractor utilitza tres relles.

Llaurar la terra és una acció que requereix energia. El tractor fa força contra la terra per remoure-la i airejar-la mentre recorre una distància. Això vol dir que li està transferint energia en forma de treball. Com més treball fa, més es buida el dipòsit de combustible.

9. Partint d’aquesta situació mirarem de trobar una forma de calcular l’energia transferida en forma de treball. (Evidentment que les forces exercides són grans, però aquí prendrem valor petits que ens ajudin a pensar).

Si llauréssim un metre de terreny fent una força d’un newton, estaríem transferint una quantitat d’energia que anomenarem
1 joule
. Equival a un cert volum de combustible consumit.

a) Quanta energia transferim si llaurem un metre en el mateix terreny amb tres relles, requerint una força de 3 N?

b) Quin treball fem llaurant dos metres amb una rella?

c) Dibuixa el diagrama corresponent a llaurar fent 4 N de força al llarg d’una distància de 3 m. Quanta energia haurem transferit ara en forma de treball?

10. Tenint-ho en compte, calcula el valor del treball en aquests casos, indicant els càlculs que fas:

d) Amb la teva experiència en el càlcul de treballs, completa aquesta frase:

11. Però com calcularem el treball si la força va de biaix?
a) Fins ara hem vist dues situacions relatives entre la força i la distància. De moment ja pots completar el càlcul de les dues primeres:

Abordem ara el tercer cas: una força que va de biaix en relació al desplaçament:

b) Segons el dibuix de la dreta, quant val la distància recorreguda?
c) Per què fer la força F equival a fer simultàniament F’ i F’’?
d) Quant valen aquestes forces F’ i F’’? Quina de les dues produeix treball? Per què?
e) Quant val aquest treball?
f) En el quadre de dalt, a la tercera opció, modifica el dibuix i escriu com es calcula el treball en general quan la força va obliquament respecte de la distancia recorreguda.

12. Descompon aquestes forces (vermelles) en una component en la direcció del moviment (blau) i una altra de perpendicular. Escriu a cada cas el valor de les tres forces i el del treball realitzat.

Les components paral·lela i perpendicular al moviment d’un objecte s’anomenen components intrínseques.

PER APROFUNDIR-HI
Fem un treball sobre la plastilina

13. Si deixem caure un objecte, la força de la gravetat, que solem anomenar pes, l’empeny avall mentre l’objecte també va cap avall.
a) Li dona o li pren energia cinètica? Com ho saps?

b) Faràs caure una bola grossa d’acer des de 25, 50, 75, 100, 125… cm d’altura sobre un tou de plastilina aplanada. Què creus que passarà a l’anar augmentant l’altura?
c) Prepara el muntatge a prop d’una pota o objecte ben vertical. Prepara també una taula de dades per anotar-hi l’altura de cada caiguda i el volum del forat que es forma.
d) Per fer una mesura del volum del forat, l’ompliràs d’aigua amb un comptagotes, anant comptant les gotes. Eixuga i aplana la plastilina després de cada mesura.

e) Fes una gràfica volum-alçada. Com descriuries la gràfica? Com descriuries la relació entre l’altura i el treball realitzat?
f) Prepara una bona presentació per explicar-ho de forma entenedora als teus companys.

Si donem energia a un sistema, ens la pot retornar?

Aquesta llauna és màgica. Si li dones una empenta perquè rodoli per terra, de mica en mica es va aturant… però després torna! És clar que no és màgia. Te’n pots fer una veient les fotos de més avall o seguint les instruccions desenfadades que trobaràs aquí: https://www.youtube.com/watch?v=yDuJlR6ILWw

El que succeeix és que per posar-la en marxa li hem fet un treball (força endavant, distància endavant) que li ha donat energia cinètica. Aquesta energia sembla haver desaparegut quan s’ha aturat breument. Però inesperadament ha estat capaç de tornar a accelerar-se i, per tant, recuperar l’energia cinètica que ja tenia. Una energia que li permet fer-nos força mentre avança en el mateix sentit, fent-nos un treball que ens retorna l’energia que hi havíem invertit.

Quan un sistema és capaç d’emmagatzemar energia i retornar-la en forma de treball, direm que les forces que realitzen aquest treball són conservatives. L’energia emmagatzemada en aquests sistemes amb forces conservatives s’anomena energia potencial.

14. Hauríem de relacionar aquest comportament amb el de la muntanya russa i el del pèndol que vam veure al començar aquesta unitat.
a) Hem vist que les forces elàstiques de la llauna eren conservatives. Diries que la força de la gravetat també ho és? Què t’ho fa pensar?
b) Per quin mecanisme diries que s’ha emmagatzemat energia quan la bola a la muntanya russa o el pèndol ha quedat aturada momentàniament?
c) Les pèrdues d’energia de la bola a la muntanya russa són degudes a que ha hagut de realitzar treball. Contra qui? Quines proves en tens?
d) Com en la llauna, durant l’oscil·lació del pèndol també hi ha moments sense energia cinètica. Llavors té energia potencial? Per què?

Podem estalviar-nos força? Podem multiplicar-la?

15. Volem pujar una massa de 2 kg fins al nivell indicat al dibuix amb puntets. Però ho podem fer verticalment o bé rodolant per una rampa inclinada. Ens preguntem quina pot ser la millor manera.
a) Si el pugem verticalment, quina és la distància? Quina és la força en aquella direcció?

b) Si el pugem per la rampa, quina és al distància a recórrer? Quina és la component de la força de gravetat en aquella direcció i, per tant, la força que haurem de fer? (ho pots calcular fent una proporció entre triangles semblants i comprovar-ho gràficament).
c) Quantes vegades és mes gran una força que l’altra? Quantes vegades és més gran una distància que l’altra?

Escenificació del que es creu que era el sistema per pujar blocs de pedra mitjançant rampes durant la construcció de les piràmides d’Egipte (Youtube – Naked Science)

d) Com més plana sigui la rampa, més llarga serà. Què passarà llavors amb la força que hem de fer? Quina forma d’aixecar aquest pes és la més convenient per a nosaltres?
e) Pot ser que els treballs fets per les dues vies siguin iguals? Per què? Calcula’ls.
f) Completa la frase final de conclusió.

Si un instrument ens permet multiplicar la força per x, la distància que aquesta força recorre…

16. Tots aquests estris serveixen perquè el treball que li donem el realitzi transformant el valor de la força que li apliquem. Tenint en compte la força que li fem i la distància que recorrem, dibuixa la força que fa (vermell) i la distància que recorre (blau) el punt indicat per la X taronja.

g)  Fes el mateix amb aquesta premsa hidràulica:

PER APROFUNDIR-HI
Quants pisos podrem pujar?

17. Ara ja sabem que quan lluitem contra la força de gravetat, l’únic que importa és la distància en vertical. Per això, quan pugem una escala el que compta és el desnivell a superar.
a) Tenint en compte el teu propi pes i l’alçada d’un graó, quanta energia potencial guanyes que puges quest graó?
b) I comptant els graons que hi ha entre un pis i el següent, quanta energia gastes per pujar un pis per l’escala?
c) Com que aquesta energia ve dels aliments, en podem preguntar quants pisos podrem pujar –i quina alçada tindrien– amb l’energia subministrada per una ració d’aliment. Tria el que vulguis: unes postres, una llauna de beguda, una ració d’aliment preparat, fruits secs envasats, una llauna o pot… Procura triar aliments ben variats i de diversos tipus: salats, dolços, begudes, greixosos, vegetals, animals… Tants com et semblin interessants estudiar.

d) Només has de llegir l’etiqueta d’informació nutricional i comparar-la amb l’energia per pujar un pis. (Tingues en compte que si les unitats són quilojoules, cada kJ equival a 1000 J).
e) Amb els resultats pots omplir una taula amb una capçalera com aquesta (et pot anar bé fer servir un full de càlcul):

f) Pots comparar aquestes alçades amb la d’edificis o muntanyes conegudes?
g) Però pensant en el funcionament del cos (suor, batec del cor, respiració, funcionament dels òrgans…) diries que tota aquesta energia es gasta només en el treball que fan les cames mentre puges?
h) Tots aquests resultats et suggereixen alguna conclusió interessant sobre la nostra alimentació? Alguna cosa a dir sobre la tendència actual al sedentarisme?
i) Prepara una presentació per exposar tot això als teus companys de classe.

Mesurem la intensitat de la gravetat

En els viatges a la Lluna durant el projecte Apol·lo els astronautes van poder comprovar físicament el que ja se sabia: que allà qualsevol cosa pesa sis vegades menys que a la superfície de la Terra i, per tant, saltar allà era molt menys cansat que aquí.

L’astronauta John Young fa un salt a la superfície de la Lluna (fixa’t en la separació de la seva ombra) durant el viatge de la nau Apol·lo 16 el 1976. (NASA)

18. La seva motxilla, carregada d’aparells per a la seva supervivència (aire, bateries, ràdio, reguladors de temperatura, equips de control mèdic…) a la Terra pesava 90 quilos.
a) Quina era la seva massa? I el seu pes en newtons a la Terra i a la Lluna?
b) Quin és el pes a la Terra d’un objecte d’un quilogram? I a la Lluna?
c) Per poder comparar la ‘gravetat’ a la Terra i a la Lluna, quin pes et sembla més útil: el calculat a a) o el de b)? Per què?
d) Completa:

Anomenem intensitat del camp gravitatori en un punt, o simplement gravetat, a…

Es representa amb el símbol g. La seva unitat és el…

e) Quant val g a la superfície de la Terra? I de la Luna

f) L’expressió matemàtica que relaciona el pes p d’un objecte de massa m en un lloc on la gravetat és g és aquesta:

g) Quanta energia potencial té la motxilla dels astronautes a 10 metres sobre la superfície de la Terra? I de la Lluna?

h) L’expressió que relaciona l’energia potencial gravitatòria Ep d’un objecte de massa m a una altura h sobre la superfície d’un planeta on la gravetat és g és aquesta:

i) Per què aquesta expressió no es pot aplicar quan es tracta d’altures molt i molt grans?

Seguim la pista de l’energia

19. Vam veure que la nostra bola de la muntanya russa cada vegada era menys capaç de superar obstacles, i per això cada vegada havien de ser més baixos al llarg del recorregut. Ara sabem que si la bola ha perdut energia deu ser perquè ha hagut de fer algun treball. I aquest treball ens interessa que sigui com més petit millor.

20. Aquest excursionista és damunt d’una roca inclinada, però no rellisca avall. En el diagrama, descompon la força del pes en les seves components intrínseques: una de paral·lela (anomenada ‘tangencial’) a la superfície de la roca i en una altra de perpendicular (que s’anomena ‘normal’).

a) Posa aquests dos noms al diagrama. Com es compensa la normal? Com es compensa la tangencial? Dibuixa, en un altre color, les forces equilibradores. A alguna d’elles en diries fricció?

Totes aquestes forces que s’oposen al lliscament d’un objecte amb un altre s’anomenen forces de fricció.

Quan alguna cosa resta aturada en una baixada, no recorre distància i no fa treball. Per això no s’hi perd energia.

En canvi, quan hi ha lliscament hi ha desplaçament i les forces de fricció realitzen un treball contra l’objecte que es mou, prenent-li energia cinètica.

Pensa en els tres treballs de la bola al tub, el cas de l’excursionista i també en aquell de la bola de golf que s’aturava a la gespa per contestar:

b) Són conservatives les forces de fricció? Per què?
c) Si les friccions ens fan perdre energia podríem pensar que seria bo intentar suprimir-les totes. Aquestes dues fotografies de l’esquerra et suggereixen un parell d’exemples en què potser no sigui una bona pensada. Què n’opines?

I què se’n fa de l’energia perduda?

Per entendre què ha passat amb l’energia perduda a causa de la fricció, ens serà útil pensar en termes del model cinètic de la matèria, és a dir, en les partícules que formen els objectes.

21. Per no allargar-nos ens fixarem només en els gasos i en els sòlids.

a) Quan la bola avança per l’aire, quines conseqüències té en les partícules de l’aire? Què hauríem de fer per comprovar-ho?

Pel que fa als sòlids, començarem comparant el comportament de les seves partícules amb el del pèndol i amb el d’una molla vibrant, que ens són més familiars.

Aquests primers dibuixos corresponen a la situacions d’equilibri, sense moure’s, i ens serviran de referència per interpretar els instants amb moviment.

b) Els següents dibuixos componen mitges oscil·lacions. Indica-hi quan tota l’energia està en forma d’energia cinètica (Ec) o d’energia potencial (Ep) escrivint-ho al costat de la bola corresponent.

c) Pensant en una d’aquestes oscil·lacions, completa el dibuix de l’evolució de l’energia cinètica, Ec (verd fosc), de l’energia potencial, Ep (blau) i de la seva suma, l’energia total E (verd clar) mentre realitza una oscil·lació completa. (Cada línia vertical marca quarts d’oscil·lació).

d) Sabem que un sòlid a temperatura ambient té les seves partícules vibrant a l’entorn d’una posició fixa. Què canviaria en aquesta gràfica si augmentéssim la temperatura del sòlid?
e) Quina energia és la més representativa de la temperatura d’un sòlid: la cinètica, la potencial o la total. I la d’un gas? Per què?
f) Quan explota un petard transfereix molta més energia en forma de treball que la mica d’energia en forma de calor que se li ha proporcionat. De quina variable diries que depèn l’energia que inicialment tenia? Com anomenaries aquesta energia?

La suma de les energies cinètiques i potencials de totes les partícules que componen un objecte en diem energia interna de l’objecte. L’energia interna d’un cos té relació amb diverses propietats. Una d’elles és la temperatura. Si multipliquem la seva temperatura absoluta per x, la seva energia interna tèrmica també es multiplica per x. Són magnituds proporcionals.

g) Completa la gràfica energia – temperatura Kelvin per a un objecte a partir de l’únic punt que s’hi proporciona.
h) Si l’aire que respirem un dia d’estiu és a 27 ºC quina és llavors la seva temperatura absoluta? Fins a quina temperatura centígrada l’hauríem d’escalfar perquè l’energia interna tèrmica de l’aire es doblés?

Podem convertir treball en calor i calor en treball?

Hem anat entenent que si la bola de la muntanya russa perdia energia és perquè havia escalfat l’aire i el tub. Però aquesta és una afirmació que ens pot semblar difícil de demostrar. Provarem de produir un escalfament mitjançant un treball contundent i veurem si és veritat.

22. Es tracta de proveir-se d’una maça, un martell, unes alicates i un clau.

a) Posa el clau, subjectat ben fort amb unes alicates, sobre la maça de la forma que es veu a la imatge. Amb el martell dona uns quants cops ben forts contra el clau. Toca’l immediatament (la part més sensible són els llavis, però has d’evitar de fer-te mal). Què notes?

b) Per escalfar alguna cosa, com nosaltres quan tenim fred, sempre procurem interaccionar amb un altre objecte més calent, sigui un foc, un radiador o la llum del Sol. Aleshores, com t’expliques que el clau s’hagi escalfat sense res que estigui més calent?
c) Completa aquests dibuixos posant amb fletxes la possible velocitat de cada partícula en el cas que haguéssim llençat el clau amb la mà, fent-li un treball (convertit totalment en energia cinètica del clau) o bé l’haguéssim escalfat al foc (augmentant la seva energia interna):

d) Quin nom donem a una transferència ordenada? I a una de desordenada?
e) Pot ser que la transferència d’energia es faci ordenadament però que el resultat sigui desordenat? Il·lustra-ho amb un exemple.
f) Argumenta si és possible convertir tot el treball en energia interna. Posa’n algun exemple.
g) I també si és possible convertir completament l’energia interna en treball. Posa’n també un exemple.
h) Per què quan hi ha un escalfament parlem de degradació de l’energia?

Energies

Aturem-nos un moment per contemplar el panorama de l’energia, tal com el tenim fins aquí. Sabem que d’energia només n’hi ha d’una classe, que es diu… energia. L’adjectiu (cinètica, potencial, interna…) que de vegades hi posem és per concretar la propietat principal que fa que aquell objecte tingui energia. Per exemple, quan diem que un objecte té energia cinètica estem dient que aquell objecte té energia perquè té velocitat. És clar que la seva energia cinètica també depèn de la massa de l’objecte que es mou, però per molta massa que tingui un objecte, si està aturat no tindrà energia cinètica. Per això, per a l’energia cinètica, considerem la velocitat com la seva propietat o magnitud més determinat.

23. Fins ara hem fet servir alguns adjectius per a l’energia.
a) Completa la taula:

b) Els següents fenòmens posen de manifest altres formes d’energia de certs objectes (destacats en negreta). Escriu, per a cada cas, la propietat més directament relacionada amb la forma d’energia descrita.

c) Per altra banda hem descobert dues formes de transferir energia:

Hi ha calor i ‘calor’

La paraula calor pot tenir dos significats que poden produir embolics.

El primer, científicament correcte, és el que acabem de veure: una forma desordenada de transferència d’energia. El foc ens escalfa perquè ens transfereix energia en forma de calor.

L’altre és un escalfament que no s’ha produït per transferència d’energia en forma de calor. Quan ens freguem les mans i se’ns escalfen, transferim energia ordenadament en forma de treball, però el resultat és desordenat perquè les partícules s’agiten més i la temperatura de la pell ha augmentat. Passa el mateix quan notem escalfor després de menjar dolços. En aquests casos s’ha produït un augment de l’energia interna tèrmica. Llavors, dir que ‘s’ha generat calor’ seria incorrecte en el registre científic, però acceptable en el col·loquial.

Quina cosa transferim al transferir energia?

24. Pensem una mica sobre la transferència d’energia. Aquesta persona està transferint energia a la bala de palla en forma de treball per moure-la.
a) Canvia per això la massa de la bala o de la persona? Com ho saps?

b) Podem dir que al transferir energia es transfereix d’un objecte a l’altre alguna cosa material?
c) Encara que parlar de ‘transferència d’energia’ és perfectament correcte, suggereix que en aquest cas la persona està lliurant “alguna cosa” a la bala. Intenta, doncs, descriure aquesta transferència d’energia però sense fer servir cap terme que impliqui lliurament d’alguna cosa, sinó canvis en les propietats.

És molt còmode, habitual i correcte parlar de transferència d’energia. El problema és que suggereix el lliurament d’alguna cosa , com si fos material.

Per evitar-ho, ho hem d’interpretar sempre com a canvis en les propietats dels dos objectes.

◀︎ 1.1 La nostra muntanya russa i l’energia

1.3 L’energia es conserva o es degrada? ►

Hits: 11