אנרגיה בכל ויד כל בה

כשמונה דקות חולפות מרגע הווצרות כמויות עצומות של אנרגיה בכוכב שמש ועד הגעת הקרינה מהשמש לכדור הארץ. אנרגיית השמש מגיעה אלינו באמצעות קרינה (כגון קרני אור נראה, קרינה אינפרה אדומה מחממת) במהירות האור.

אין לנו חיים בלי אנרגיה. למדנו לנצל אותה. למדנו מהטבע איך אנרגיה מתגלגלת ולמדנו לבקר את גילגוליה לטובתנו.

• אנחנו אוכלים, הגוף מייצר מהמזון אנרגיה.
• צמחים קולטים קרני אור ומייצרים אנרגיה בתהליך פוטוסינטזה.
• מים "נופלים" מגובה רב ומתנועתם המהירה מייצרים חשמל (אנרגיה). 
• חומרים עוברים ריאקציה כימית ונוצרת אנרגיה (אפשר להשתמש בטלפון הנייד שלכם בלי סוללה?).

השנה עברתם דרך חשובה בהבנת המושגים של אנרגיה פוטנציאלית כובדית (אנרגיית גובה) ואנרגיה פוטנציאלית אלסטית במערכות פיסיקליות הכוללות את כדור הארץ, קפיצים וגופים הנמצאים בקונפיגורציה מסויימת. הבנתם מהו שימור אנרגיה מכנית.
קישור למצגת אנרגיה.

כדור שמסתו 100 גרם הנמצא על גג בניין שגובהו 30 מטר מעל גובה פני הארץ הוא בעל אנרגיה פוטנציאלית כובדית ביחס לפני כדור הארץ שגודלה 30 ג'ול. Ug=mgh

• בנופלו, מאיץ הכדור ומהירותו גדלה ב- 10 מטר לשניה בכל שניה (g=10m/sec^2). כוח המשיכה של כדור הארץ עוש על הכדור הנע עבודה חיובית, בכיוון התנועה. הכדור "מרוויח" אנרגיית תנועה. הוא מאבד אנרגיית גובה.
• בחצי הגובה, מהירות הכדור היא כ 17 מטר לשניה. קחו רגע - חשבו זאת (0.5mgh = 0.5mv^2).
• בהגיעו לקרקע, האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית שהייתה לו, אבדה ואיננה עוד ובמקומה יש לכדור אנרגיה קינטית (של תנועה) שגודלה בדיוק 30 ג'ול (mgh = 0.5mv^2). מהירות הכדור ברגע הפגיעה בקרקע היא כ- 24.5 מטר לשניה. שמתם לב שלא משנה מה המסה של הכדור? בנפילה חופשית מגובה מסויים גוף כבד וגוף קל יגיעו לקרקע במהירות זהה (בהזנחת ההתנגדות / החיכוך של האויר).
• זה ביטוי של חוק שימור האנרגיה המכנית. בהעדר חיכוך, אנרגיה מכנית פוטנציאלית כובדית הומרה לאנרגיה מכנית קינטית. 
• אם הכדור היה נופל על קפיץ ומכווץ אותו, ברגע הכיווץ המירבי של הקפיץ כשהתנועה נעצרה, הייתה במערכת כדור-קפיץ-כדוה"א אנרגיה אלסטית של 30 ג'ול בדיוק.
• זה ביטוי של חוק שימור האנרגיה המכנית. אנרגיה מכנית קינטית (0.5mv^2) הומרה לאנרגיה פוטנציאלית אלסטית (0.5k(l)^2) . מידת התכווצות הקפיץ מסומנת - l וקבוע הקפיץ הוא - k.

למדתם עוד שכוח הפועל על גוף וגורם לשינוי בתנועת הגוף, עושה על הגוף עבודה, בכיוון התנועה של הגוף. זה ברור, נכון? שהרי שינוי תנועה של הגוף מתבטא בשינוי האנרגיה הקינטית של הגוף במערכת. אם כך, ראיתם שסכום כל העבודות שנעשות על גוף בכיוון התנועה או לחליפין, עבודת הכוח השקול הפועל על הגוף בכיוון התנועה, שווה בדיוק להפרש באנרגיות הקינטיות של הגוף, הסופית פחות ההתחלתית. לזה קראנו "משפט עבודה - אנרגיה". Wtotal = Ek2-Ek1
W=FS. כאשר, W מסמן עבודה ביחידות אנרגיה, ג'ול, F מסמן כוח בניוטון ו- S מסמן העתק במטרים לאורכו פעל הכוח F בבצעו את העבודה W.

השנה למדתם גם שחום הוא סוג של אנרגיה העוברת מחומר בטמפרטורה גבוהה יותר (חם) לחומר בטמפרטורה נמוכה יותר (קר). הטמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות החומר.

אנרגיית חום מסומנת Q וגם היא נמדדת בג'ול. בהנתן קיבול החום הסגולי של החומר c, והמסה של החומר m בק"ג, ניתן לחשב את אנרגיית החום הדרושה כדי לחמם חומר מטמפרטורה T1 לטמפרטורה גבוהה יותר T2.

 Q = cm(T2-T1)

זו גם גודלה של האנרגיה שפולט חומר המתקרר מטמפרטורה גבוהה T2 לטמפרטורה נמוכה יותר T1.

חום נדרש גם כדי להעביר חומר ממצב צבירה מוצק לנוזל (היתוך) ומנוזל לגז (אידוי, רתיחה). כשזה קורה, הטמפרטורה של החומר לא משתנה. אנרגיית החום משמשת לשבירת הקשרים בין מולקולות החומר. חום נפלט בתהליך עיבוי וקיפאון / התמצקות. לכל חומר יש מאפיינים משלו c - קיבול חום סגולי (ביחידות ג'ול לק"ג למעלה צלסיוס), מקדם התכה/קיפאון ומקדם אידוי/עיבוי (ביחידות ג'ול לק"ג).
קישור למצגת אנרגיית חום.

ראיתם שאנרגיית חום נוצרת כתוצאה של פעולת כוח חיכוך. כוח חיכוך מאפשר לדוגמה למכונית לעצור. כוח החיכוך עושה עבודה שלילית על המכונית כיוון שהוא פועל בניגוד לכיוון ההתקדמות של המכונית. העבודה השלילית של כוח החיכוך גורמת למכונית להאט ולהעצר. ממשפט עבודה אנרגיה ניתן להסיק מהו מרחק הבלימה של רכב נוסע במהירות v מטר לשניה:

fS=Ek = 0.5mv^2

f הינו כוח החיכוך בניוטון ו- S במטרים הוא מרחק הבלימה. Ek היא האנרגיה הקינטית ההתחלתית, מלפני הבלימה. האנרגיה הקינטית בסיום הבלימה היא אפס (המכונית אינה בתנועה).

ראיתם שכוח החיכוך גורם להתחממות הצמיגים (ובמידה מועטה יותר הקרקע) כלומר, אבדן האנרגיה הקינטית של המכונית בא לידי ביטוי בהתחממות הצמיגים שלה. אנרגיית החום שהצמיגים מקבלים שווה בקירוב לאנרגיה הקינטית של הרכב לפני תחילת הבלימה.

עוד למדתם השנה מהו לחץ (ניוטון למ"ר). לחץ במוצק שווה לכוח (בניוטון) הניצב למשטח חלקי השטח (m^2) עליו פועל הכוח. ממוצקים עברתם לזורמים, גזים ונוזלים.
קישור למצגת לחץ במוצקים ובזורמים.

למדתם מהי צפיפות חומר - היחס בין המסה של החומר לנפח שלו (ק"ג למ"ק).
עסקתם במכונה הדראולית המאפשרת הגברת כוח. זאת בעקבות חוק פסקל המלמד אותנו שלחץ בנוזל מתפשט לכל החלקיקים בנוזל בכל הכיוונים. לפי פסקל, חישבנו לחץ בתחתית עמוד נוזל (צפיפות הנוזל * תאוצת הכובד * גובה עמוד הנוזל). בכל עומק (h) בנוזל נתון (שצפיפותו נתונה), הלחץ שווה.

כאן הגעתם לאכימדס ... כאלפיים ושלש מאות שנה לפני ניוטון, ארכימדס מגלה לנו שנוזל מפעיל על גוף הטבול בו כוח בכיוון מעלה השווה בגודלו לכוח הכובד הפועל על המים שהגוף דוחה. כוח ציפה או עילוי זה הוא מהחשובים בטבע. לדוגמה, בהכירנו אותו, ניתן לתכנן אניות שאינן טובעות וניתן למדוד צפיפות של חומרים.
ראיתם שהגורם לכוח העילוי הוא הפרש הלחצים בעומקים שונים. תחתית הגוף מצוייה בעומק גדול יותר ולכן פועל עליה לחץ גדול יותר. לחץ עפ"נ שוח מסויים, מתרגם לכוח. הכוח מלמטה למעלה גדול מהכוח הפועל מלמעלה למטה וכך נולד כוח העילוי. מסמנים כוח זה באות הגדולה B, ציפה באנגלית (Buoyancy). השתמשנו גם בסימון , FA כוח ארכימדס.
קישור למצגת "חידות ארכימדס".

עם תחילת המחצית השנייה של שנת הלימודים תשע"ו בכיתת מופת פיסיקה, אנו מגישים לכם אתר חדש הכולל את כל החומר הנלמד ותשובות לכל מה שמסקרן אתכם.
כאן גם נשתף רעיונות בנושא העקרי של המחצית הזו - פרוייקט להקמת חדר הימלטות (Escape Room) על טהרת חוקי הפיסיקה.

מאחל לכם עניין והנאה בחקר הפיסיקה ולימוד פורה.
קישורים למצגות:

• קישור למצגת אנרגיה.
• קישור למצגת אנרגיית חום.
• קישור למצגת לחץ במוצקים ובזורמים.
• קישור למצגת "חידות ארכימדס".