اصل پایستگی جرم و انرژی

[Jack Daniel'ѕ]

در هر یک از آزمایش‌ها فرایندهای فیزیکی، تلاش برای یافتن یا تعریف کردن کمیت هایی است که بدون توجه به تغییرات رخ داده شده، ثابت باقی بمانند . یک چنین کمیتی که قبلاً در توسعه مکانیک شناخته شده است، جرم می‌باشد . استفاده مهم قانون بقای جرم بعنوان یک اصل کلی در علم پیشنهاد می نماید که اصول بیشتر بقاء می باید دارای مقدار قابل مقایسه‌ای باشد. بنابراین توسعه مفهوم انرژی بطور منطقی منتهی به اصل بقایش در فرایندهای مکانیکی شد . در صورتیکه به جسمی در هنگام بالا رفتن انرژی داده شود، پس از آن این جسم می باید این انرژی را در خود نگهدارد تا کاری را که قادر است انجام دهد . جسمی که صعود نموده و مجاز به سقوط آزاد است، آنقدر انرژی جنبشی کسب می نماید که بهمان اندازه انرژی پتانسیل از دست می‌دهد بطوریکه ظرفیت آن برای انجام کار بدون تغییر باقی می ماند . برای یک جسم در حال سقوط آزاد، می‌توان نوشت :



اعتبار این معادله بوسیله تجربیات بی شماری تائید شده است . موفقیت در کاربرد آن برای اجسام در حال سقوط آزاد منتهی به تعمیم اصل بقای انرژی برای استفاده در همه فرایندهای مکانیکی خالص شده است . شواهد تجربی فراوانی تاکنون برای تایید این تعمیم حاصل گردیده است.

اشکال دیگری از انرژی مکانیکی علاوه بر انرزی جنبشی و پتانسیل جاذبه‌ای امکانپذیر است . واضح‌ترین آن انرژی پتانسیل آرایش ساختمانی است. هنگامیکه فنری فشرده شود، کار توسط یک نیروی خارجی صورت می‌گیرد . از آنجائیکه فنر بعداً می‌تواند این کار را علیه یک نیروی مقاوم خارجی انجام دهد، پس فنر دارای ظرفیت انجام کار است . این انرژی پتانسیل آرایش ساختمانی است . انرژی شکل مشابهی در یک نوار لاستیکی کشیده شده و یا در یک میله کج شده در ناحیه الاستیکی موجود است .

برای افزایش عمومیت اصل بقای انرژی در مکانیک، ما به کار بالاخص بعنوان شکلی از انرژی می نگریم . این بطور وضوح مجاز است زیرا تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل معادل کار انجام گرفته در تولید آنهاست (معادلات ۱ و ۲) . در هر حال کار انرژی در انتقال است و هرگز در یک جسم باقی نمی‌ماند . هنگامیکه کاری انجام گیرد لکن همزمان جای دیگری کار ظاهر نشود، بشکل دیگری از انرژی تبدیل می‌شود .

جسم یا مجتمعی که توجه بر روی آن متمرکز می‌شود دستگاه (system) نامند . به هر چیز دیگری محیط (surrounding) اطلاق می‌گردد. زمانیکه کاری صورت می‌گیرد، این کار بوسیله محیط بر روی دستگاه و یا بالعکس انجام می‌شود و انرژی از محیط به دستگاه و یا بالعکس انتقال می‌یابد فقط در خلال این انتقال است که شکلی از انرژی بعنوان کار موجود می‌باشد . بر عکس، انرزی جنبشی و پتانسیل در جسم ذخیره می‌شود . مقادیرشان به هر حال در مقایسه با محیط اندازه گیری می‌شود . بعنوان مثال انرژی جنبشی تابعی از سرعت نسبت به محیط است و انرژی پتانسیل تابعی از ارتفاع نسبت به یک سطح مقایسه می‌باشد . تغییرات در انرژی جنبشی و پتانسیل تابعی از این شرایط مقایسه نیست مشروط بر آنکه آنها ثابت باشند . که از ان در جهاناستفاده می شود