Πώς λειτουργεί... το έργο; - Πίτερ Μπόχατσεκ

Δείτε όλο το μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/how-does-work-work-peter-bohacek

Οι έννοιες του έργου και της ισχύος μας βοηθούν να ξεκλειδώσουμε και να κατανοήσουμε πολλούς από τους φυσικούς νόμους που κυβερνούν το σύμπαν μας. Σε αυτό το μάθημα, ο Πίτερ Μπόχατσεκ εξερευνά την αλληλεπίδραση της κάθε έννοιας, όταν εφαρμόζονται σε δύο καθημερινά αντικείμενα - μια λάμπα και ένα ρολόι του παππού.

Μάθημα από τον Πίτερ Μπόχατσεκ, ψηφιακή απεικόνιση από τον Λουκ Κάχιλ.

Στη Φυσική,

οι έννοιες του έργου και της ισχύος
μάς βοηθούν να κατανοήσουμε

και να εξηγήσουμε αρκετά
πράγματα στο σύμπαν μας.

Ας αρχίσουμε με το έργο.

Θετικό είναι το έργο όταν ενέργεια
αποθηκεύεται σε ένα σύστημα

και αρνητικό όταν η ενέργεια εξάγεται
από το σύστημα στο περιβάλλον.

Το θετικό έργο είναι όπως όταν χρήματα
κατατίθενται στο τραπεζικό λογαριασμό σας,

και το αρνητικό έργο όταν αποσύρονται.

Στο μετρικό σύστημα,

το έργο και η ενέργεια μετρώνται σε Joule.

Ως παράδειγμα, ας πάρουμε ένα όμορφο,
παλιό, μηχανικό ρολόι του παππού.

Μεταφέρουμε ενέργεια στο ρολόι

όταν το κουρδίζουμε

για να ανυψώσουμε έναν βαρύ,
μεταλλικό κύλινδρο μέσα στο ρολόι.

Όταν το κάνουμε αυτό,
παράγουμε θετικό έργο,

προσθέτοντας ενέργεια στο ρολόι,

και αυτή αποθηκεύεται
ως βαρυτική δυναμική ενέργεια.

Υπολογίζουμε το παραγόμενο έργο
πολλαπλασιάζοντας τη δύναμη που ασκούμε

επί την απόσταση
στην οποία ασκούμε τη δύναμη.

Για να ανυψώσουμε τα βαρίδια,

πρέπει να ασκήσουμε δύναμη
ίση με το βάρος τους.

Δηλαδή ίση με τη δύναμη της βαρύτητας

που τα έλκει κατακόρυφα προς τα κάτω.

Αυτά τα βαρίδια έχουν βάρος 300 Νιούτον,

είναι αρκετά βαριά,

όσο περίπου ένα μικρό παιδί,

και αν τα σηκώσουμε κατά μισό μέτρο,

τότε το έργο είναι 300 Νιούτον

επί μισό μέτρο,

ή έργο 150 Joule.

Η ισχύς είναι ο ρυθμός
με τον οποίο μεταφέρεται η ενέργεια.

Όταν λέμε ρυθμό,

εννοούμε την ενέργεια που μεταφέρεται

ανά μονάδα χρόνου.

Στο μετρικό σύστημα (SI),

η ισχύς μετριέται
σε Joule ανά δευτερόλεπτο,

ή Watt.

Ο όρος Watt προέρχεται από τον Τζέιμς Βατ,

που επινόησε την έννοια της «ιπποδύναμης»

για να μετρήσει την ισχύ

που παράγεται από ένα
τυπικό άλογο εργασίας.

Ο Τζέιμς Βατ παρήγαγε
ατμομηχανές για βιομηχανική χρήση

και ήθελε οι υποψήφιοι αγοραστές του

να μπορούν να συγκρίνουν

μεταξύ των δικών του ατμομηχανών
και μιας προσφιλούς ποσότητας,

την ισχύ που μπορούν να έχουν
από ένα άλογο εργασίας.

Ήταν τόσο χρήσιμη η ιδέα του

που στο μετρικό σύστημα (SI)
η μονάδα μέτρησης ισχύος,

ονομάζεται Watt προς τιμήν του Τζέιμς Βατ.

Ακολουθώντας τα βήματα του Τζέιμς Βατ,

ας συγκρίνουμε την ισχύ που χρειάζεται

για να λειτουργεί το ρολόι του παππού,

με την ισχύ που χρειαζόμαστε

για ένα φωτεινό λαμπτήρα των 100 Watt.

Μετράμε την ισχύ που κάποιος εφαρμόζει
όταν κουρδίζει το ρολόι,

διαιρώντας το έργο που έκανε

με το χρόνο που χρειάστηκε.

Αν χρειαστεί ένα λεπτό, ή 60 δευτερόλεπτα,

για να ανυψωθούν τα βαρίδια,

τότε παράγουν έργο 150 Joule,

και διαιρώντας με τα 60 δευτερόλεπτα

έχουμε 2,5 Joule έργου ανά δευτερόλεπτο.

Προσθέτουν ενέργεια στο ρολόι

με ρυθμό 2,5 Watt.

Θα χρειαζόσασταν περίπου
40 φορές περισσότερη ισχύ

για μια λάμπα 100 Watt.

Πριν το αφήσουμε να λειτουργήσει,

η ενέργεια αποθηκεύτηκε

ως βαρυτική δυναμική
ενέργεια των κυλίνδρων.

Όπως ο λογαριασμός σας,

όταν μόλις έχετε καταθέσει χρήματα.

Αλλά όταν το ρολόι λειτουργεί,

τα βαρίδια μετακινούνται
αργά προς τα κάτω.

Η ενέργεια απομακρύνεται από το ρολόι.

Όταν τα βαρίδια φτάσουν στο πάτο,

όλη η ενέργεια που αρχικά δώσαμε
έχει απομακρυνθεί.

Πόση, λοιπόν, είναι η ισχύς του ρολογιού;

Δηλαδή, πόσα Joule ανά δευτερόλεπτο
απομακρύνονται από το ρολόι,

αν χρειάζονται 5 ημέρες για να επανέλθουν
τα βαρίδια στην αρχική τους θέση;

Το υπολογίζουμε εύκολα

επειδή ήδη γνωρίζουμε πόσο έργο κάναμε

όταν ανυψώσαμε τα βαρίδια:

150 Joule.

Αλλά τώρα, πήρε πέντε
μέρες αντί για ένα λεπτό.

5 ημέρες επί 24 ώρες,

επί 60 λεπτά,

ξανά επί 60 δευτερόλεπτα,

ισούται με 432.000 δευτερόλεπτα.

Οπότε διαιρούμε
το παραγόμενο έργο με το χρόνο

και βρίσκουμε περίπου
0,00035 Joule ανά δευτερόλεπτο,

ή 0,35 milliWatt περίπου.

Αυτό είναι ένα πολύ μικρό ποσό ισχύος.

Το ρολόι χρησιμοποιεί τόσο μικρή ισχύ

που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν
σχεδόν 300.000 τέτοια ρολόγια

με την ισχύ που χρειάζεται
ένας λαμπτήρας των 100 Watt.

Σωστά, με τόση ισχύ θα λειτουργούσε
ένα ρολόι σε κάθε σπίτι

σε μια μεσαίου μεγέθους πόλη .

Είναι ένα πολύ εντυπωσιακό αποτέλεσμα

και η γνώση του έργου

και της ισχύος βοήθησαν για να το βρούμε.