در هر برخورد، انرژی حفظ نمیشود—مگر اینکه برخورد کاملاً کشسان باشد
یادداشتهای کوتاه فیزیکی
برخوردها پدیدهای رایج در دنیای فیزیک هستند. از برخورد ذرات زیراتمی گرفته تا برخورد اجسام بزرگ مانند خودروها، درک نحوه رفتار انرژی در این تعاملات برای فهم بسیاری از پدیدههای فیزیکی ضروری است. یک باور رایج این است که انرژی در هر برخوردی حفظ میشود، اما این یک سادهسازی است. در واقع، انرژی تنها در برخوردهای کاملاً کشسان حفظ میشود. در برخوردهای غیرکشسان، بخشی از انرژی به اشکال دیگر مانند گرما و صدا تبدیل میشود.
انرژی و انواع آن
انرژی به معنای توانایی انجام کار است. انرژی اشکال مختلفی دارد، از جمله انرژی جنبشی (انرژی حرکت)، انرژی پتانسیل (انرژی ذخیره شده)، انرژی گرمایی، انرژی شیمیایی و انرژی هستهای. در یک سیستم بسته، انرژی کل باید ثابت بماند، این اصل به عنوان قانون پایستگی انرژی شناخته میشود. با این حال، در برخوردها، سیستم معمولاً بسته نیست و انرژی میتواند به محیط اطراف منتقل شود.
برخوردها: یک مرور کلی
برخورد زمانی رخ میدهد که دو یا چند جسم با یکدیگر تعامل داشته باشند و نیروی قابل توجهی به یکدیگر وارد کنند. برخوردها را میتوان بر اساس دو معیار اصلی طبقهبندی کرد: پایستگی تکانه و پایستگی انرژی جنبشی.
پایستگی تکانه
تکانه حاصلضرب جرم یک جسم در سرعت آن است. قانون پایستگی تکانه بیان میکند که در یک سیستم بسته، تکانه کل قبل از برخورد برابر با تکانه کل بعد از برخورد است. این قانون در تمام انواع برخوردها، چه کشسان و چه غیرکشسان، برقرار است. این بدان معناست که مجموع تکانههای اجسام قبل از برخورد، با مجموع تکانههای آنها بعد از برخورد برابر خواهد بود، صرف نظر از اینکه انرژی حفظ شود یا خیر.
پایستگی انرژی جنبشی
انرژی جنبشی انرژی مرتبط با حرکت یک جسم است. برخورد کشسان برخوردی است که در آن هم تکانه و هم انرژی جنبشی حفظ میشوند. برخورد غیرکشسان برخوردی است که در آن تکانه حفظ میشود، اما انرژی جنبشی حفظ نمیشود. در این نوع برخورد، بخشی از انرژی جنبشی به اشکال دیگر انرژی تبدیل میشود.
برخورد کاملاً کشسان
در یک برخورد کاملاً کشسان، هیچ انرژی جنبشی به اشکال دیگر تبدیل نمیشود. این بدان معناست که مجموع انرژی جنبشی اجسام قبل از برخورد برابر با مجموع انرژی جنبشی آنها بعد از برخورد است. برخوردهای کاملاً کشسان در دنیای واقعی بسیار نادر هستند، زیرا همیشه مقداری انرژی به دلیل عواملی مانند اصطکاک، مقاومت هوا و تولید صدا از دست میرود. با این حال، میتوان با استفاده از مدلهای ایدهآل، این نوع برخورد را در نظر گرفت. یک مثال تقریبی از برخورد کشسان، برخورد بین دو توپ بیلیارد است که تقریباً هیچگونه تغییر شکلی ندارند.
در یک برخورد کشسان، میتوان از معادلات زیر برای محاسبه سرعت اجسام بعد از برخورد استفاده کرد:
v1f = ((m1 – m2) / (m1 + m2)) * v1i + ((2 * m2) / (m1 + m2)) * v2i
v2f = ((2 * m1) / (m1 + m2)) * v1i + ((m2 – m1) / (m1 + m2)) * v2i
که در آن:
- v1i و v2i سرعتهای اولیه جسم 1 و جسم 2 هستند.
- v1f و v2f سرعتهای نهایی جسم 1 و جسم 2 هستند.
- m1 و m2 جرم جسم 1 و جسم 2 هستند.
برخورد غیرکشسان
در یک برخورد غیرکشسان، بخشی از انرژی جنبشی به اشکال دیگر انرژی تبدیل میشود. این اشکال دیگر انرژی معمولاً شامل انرژی گرمایی (به دلیل اصطکاک)، انرژی صوتی (به دلیل صدا) و انرژی تغییر شکل (به دلیل تغییر شکل اجسام) هستند. برخورد غیرکشسان بسیار رایجتر از برخورد کشسان است. یک مثال رایج از برخورد غیرکشسان، برخورد یک خودرو با یک مانع است. در این برخورد، انرژی جنبشی خودرو به گرما، صدا و تغییر شکل خودرو و مانع تبدیل میشود.
در یک برخورد غیرکشسان، اجسام ممکن است به یکدیگر بچسبند و با هم حرکت کنند. در این حالت، سرعت نهایی اجسام را میتوان با استفاده از قانون پایستگی تکانه محاسبه کرد:
m1v1i + m2v2i = (m1 + m2)vf
vf = (m1v1i + m2v2i) / (m1 + m2)
که در آن:
- vf سرعت نهایی اجسام چسبیده به هم است.
تبدیل انرژی در برخوردهای غیرکشسان
همانطور که قبلاً ذکر شد، در برخوردهای غیرکشسان، انرژی جنبشی به اشکال دیگر انرژی تبدیل میشود. بیایید به برخی از این تبدیلها نگاهی دقیقتر بیندازیم:
- گرما: اصطکاک بین اجسام در هنگام برخورد میتواند باعث تولید گرما شود. این گرما انرژی جنبشی را از سیستم خارج میکند.
- صدا: برخوردها معمولاً باعث ایجاد صدا میشوند. انرژی صوتی نیز انرژی جنبشی را از سیستم خارج میکند.
- تغییر شکل: اگر اجسام در هنگام برخورد تغییر شکل دهند، انرژی برای ایجاد این تغییر شکل لازم است. این انرژی از انرژی جنبشی سیستم میآید.
- شکستن: در برخوردهای شدید، اجسام ممکن است بشکنند. انرژی لازم برای شکستن اجسام نیز از انرژی جنبشی سیستم میآید.
مثالهایی از برخوردها در زندگی روزمره
برخوردها در زندگی روزمره ما بسیار رایج هستند. در اینجا چند مثال آورده شده است:
- برخورد توپ با زمین: این یک مثال از برخورد غیرکشسان است، زیرا توپ در هنگام برخورد کمی انرژی جنبشی خود را از دست میدهد.
- برخورد دو خودرو: این یک مثال از برخورد غیرکشسان است، زیرا مقدار قابل توجهی انرژی جنبشی به گرما، صدا و تغییر شکل خودروها تبدیل میشود.
- برخورد چوب بیسبال با توپ: این یک مثال از برخورد غیرکشسان است، زیرا توپ و چوب بیسبال در هنگام برخورد کمی تغییر شکل میدهند.
- برخورد الکترونها با اتمها: این میتواند هم کشسان و هم غیرکشسان باشد، بسته به انرژی الکترون و نوع اتم.
نتیجهگیری
در حالی که قانون پایستگی انرژی یک اصل اساسی در فیزیک است، مهم است که به یاد داشته باشیم که انرژی در هر برخوردی حفظ نمیشود. انرژی تنها در برخوردهای کاملاً کشسان حفظ میشود. در برخوردهای غیرکشسان، بخشی از انرژی جنبشی به اشکال دیگر انرژی تبدیل میشود. درک این تفاوت برای فهم بسیاری از پدیدههای فیزیکی ضروری است. بررسی دقیقتر انواع برخوردها و نحوه تبدیل انرژی در آنها، به ما کمک میکند تا دنیای اطراف خود را بهتر درک کنیم.
بدون دیدگاه