1.3 L’energia es conserva o es degrada?

Cristina: Estava pensant que una part de
l’energia dels motors per fer pujar la
muntanya russa ens la podríem estalviar.
Daniel: Ah sí? Com?
Alícia: Doncs fent voltes sense parar.
Ens estalviaríem l’energia que fa anar els
motors per fer pujar els vagons fins el punt més alt.
Andreu: I faríem més viatges!
Alícia: No sé per què no ho fan així…!

1. Ara farem servir la simulació Energy Skate Park per visualitzar els canvis en l’energia cinètica, la potencial i la interna (que el programa anomena ‘tèrmica’). Caldrà que tingueu instal·lat el Java al vostre ordinador i que baixeu i instal·leu aquesta simulació:

https://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park

Desactiveu la fricció i obriu la finestra amb gràfiques de les diverses formes d’energia (Bar Graph). Feu que el patinador vagi oscil·lant en diverses condicions i fixeu-vos com van canviant contínuament les barres d’energia. Poseu la pausa en moments clau per poder-ho analitzar millor.

a) Com descriuries els canvis en les barres d’energia? Els trobes raonables? Per què?

b) Torneu a fer-lo oscil·lar però amb diversos valors de la fricció, ara més gran, ara més petit. Com descriuries la nova evolució de les energies? Et sembla lògic? Per què?

c) En quines condicions podem dir que l’energia total es conserva, que és sempre la mateixa, sigui amb fricció o sense? Argumenta-ho.

d) Dels comportaments que has vist, quins relacionaries amb una degradació de l’energia, en el sentit de fer-se cada vegada més difícil d’utilitzar? En què consistiria aquesta degradació? És inevitable?

De debò ens creiem que l’energia es conserva? Més aviat sembla una broma quan se’ns gasten les piles d’algun aparell, quan tenim gana o quan s’ha de passar per la benzinera! Però sí, l’energia es conserva i, al mateix temps, es degrada. Una cosa és compatible amb l’altra. Vegem-ho amb un exemple.

2. Imagina que en una muntanya russa tenim una vagoneta de 300 kg a 20 m damunt del nivell més baix.

a) Quant val la seva energia potencial?

b) Suposem que la vagoneta fa la baixada i que puja per una rampa però s’atura a una alçada de 12 m. Quant val ara la seva energia potencial?

c) Quanta energia s’ha convertit “en calor” (energia interna tèrmica) de l’aire?

d) Amb aquestes dades argumenta per què podem dir que l’energia s’ha conservat.

e) Argumenta també per què podem dir que l’energia s’ha degradat.

f) Completa el diagrama indicant cada objecte, la propietat que li confereix energia, el seu valor en aquest cas i si la transferència ha estat en forma de calor o de treball.

D’on ve i a on va l’energia?

3. Si l’energia sempre és la mateixa podem construir cadenes entre objectes a mida que es van passant l’energia.

Es tracta de començar en la situació descrita en cada cas per anar seguint la pista de l’energia cap enrere (d’on ve) i cap endavant (cap a on va) imaginant camins raonables. Pel que fa a la quantitat d’energia de cada objecte inventa’t valors (no cal que s’assemblin als reals) però que compleixin tant la conservació com la degradació.

a) Mengem un entrepà i així
podem fer unes quantes piscines nedant.

b) Per fer un forat
a la paret fem servir
un trepant endollat
al voltatge generat per
una central hidràulica.

c) Un cotxe que crema gasoil
puja una muntanya.

PER APROFUNDIR-HI
Què passa quan bota una pilota?

4. Es tractarà de deixar caure una pilota perquè boti diverses vegades i enregistrar aquest moviment per analitzar-lo.

Necessitaràs un mòbil o tauleta amb l’aplicació VidAnalysis, un regle o pal de longitud coneguda i diverses pilotes ben diferents. Fixa el dispositiu de gravació i assegura’t que es vegi bé el pal de longitud coneguda. Enregistreu una caiguda juntament amb els bots successius.

Ves a l’aplicació per analitzar el vídeo. Calibra les mides i estableix els eixos. Marca sobretot els punts més alts de cada moviment de caiguda o bot. Repeteix-ho tot amb diverses pilotes.

a) Hi ha algun bot en què l’energia superi el 100 % de l’anterior? Per què?

b) N’hi ha algun que sigui justament el 100 %? Per què?

c) Segurament hauràs vist que els bots van perdent altura i, per tant, també s’hi perd energia. Se t’acut algun mecanisme que ho justifiqui? A on va a parar l’energia que falta?

d) Pot ser que les pèrdues d’energia siguin més grans amb uns tipus de pilota que en altres. Hi trobes alguna explicació?

e) S’ha comprovat que quan una bola d’acer rebota contra una biga d’acer es dissipa només un 2 % de la seva energia inicial. Com pot ser que perdi tan poca energia?

Foto estrobscòpica d’una pilota rodant i botant (Wikimedia)

5. Per acabar, tot fent servir el que has après en aquestes pàgines farem una mirada crítica a la forma com utilitzem l’energia. Que puguem disposar d’energia pot significar transformacions que de vegades no tenim en compte ni assumim.

Ja saps que tant les centrals nuclears (que desintegren àtoms) com les tèrmiques (les que cremen algun combustible com gas, gasoil…) generen altes temperatures per produir vapor que empenyi els alternadors.

a) Per escalfar és recomanable utilitzar l’electricitat o no?

b) Quan utilitzem l’electricitat tenim la impressió que és una tecnologia neta, sense residus ni contaminació. Pensant en tota la cadena energètica, és correcte pensar això?

c) És veritat que l’ús d’Internet no té conseqüències ambientals? És veritat que l’ús d’Internet no té conseqüències ambientals?

Podem imaginar el final de l’Univers?

Aquest continu pas d’energia d’uns objectes a uns altres regit per dos principis implacables, el de conservació i el de degradació de l’energia, ens permeten albirar l’evolució de l’Univers a llarg termini?

L’Univers conté objectes freds i altres de calents, que són sobretot les estrelles. Les estrelles converteixen hidrogen en heli i després en altres elements cada vegada més pesats. En aquest procés no es cansen d’enviar energia cap a l’espai. Segons la seva massa, al final poden acabar esclatant o no, però de totes formes acaben refredant-se.

A la dreta pots veure una imatge del que s’anomena una nebulosa planetària: el resultat de l’explosió d’una estrella (que encara es pot veure al centre) que era de la mida del Sol i que està arribant al seu final. De mica en mica s’anirà apagant.

De manera semblant, tot a l’Univers s’anirà apagant i refredant. Quan passi això, al cel s’anirà apagant una llumeta rere una altra.

La Nebulosa de l’Hèlix són restes de l’explosió de la seva estrella central fa uns 10 600 anys. (ESA – NASA)
Fotografia feta pel telescopi espacial Hubble d’un petit tros de cel aparentment sense res, amb una exposició de dos milions de segons. L’efecte de lent gravitatòria ha permès detectar-hi galàxies extremadament dèbils, tan llunyanes que la llum que ara en rebem la van emetre quan l’univers tenia només uns 500 milions d’anys d’edat (ara en té 13 800). (ESA – NASA)

Actualment els científics consideren que l’Univers va sorgir a una altíssima temperatura d’una enorme explosió que anomenen Big Bang. La matèria, disparada en totes direccions, es va anar separant i encara s’està separant. Igual que quan tirem una pilota enlaire sabem que tornarà a baixar, podríem pensar que la matèria de l’Univers tornarà “a caure”, ajuntant-se de nou. Però avui sabem que no només no es frenarà i després caurà sinó que, sorprenentment, les galàxies s’estan separant entre elles cada cop més ràpidament.

L’Univers es fa cada vegada més gran i l’energia que s’hi escampa estarà cada vegada més degradada. Serà cada vegada més enorme i més fred, un final que anomenen ‘mort tèrmica’ de l’Univers.

L’Univers “morirà” de fred. La bona notícia és que no serà la setmana que ve, sinó d’aquí a un munt de milers de milions d’anys. Ara per ara no és pas aquest el nostre problema més urgent.

◀︎ 1.2 Donem i prenem energia a un objecte

2 Forces, moviments… i emocions! ►

Hits: 3