مطالعه دنیای فیزیکی پیرامون، از هر نوعی که باشد، در نهایت سر از مفاهیم ماده و انرژی درمی‌آورد. این دو مفهوم در کنار یکدیگر عالم را تشکیل می‌دهند. درک شهودی ما از ماده در همان سال‌های آغازین زندگی شکل می‌گیرد، اما ایده انرژی مفهومی کاملاً انتزاعی است که در آموزش مدرسه‌ای و به تدریج با آن آشنا می‌شویم؛ گرچه ممکن است درک و شناخت درستی از آن پیدا نکنیم.
انرژی تعریف ندارد!
بر خلاف تعریف رایجی که از ده‌ها سال قبل برای انرژی ارائه می‌دهند و انرژی را به صورت «توانایی انجام کار» تعریف می‌کنند، انرژی دارای تعریفی سر راست و مستقیم نیست! همان‌طور که در مقدمه گفته شد، انرژی مفهومی انتزاعی است و اساساً نمی‌توان برای آن تعریفی یک جمله‌ای ارائه داد. در عوض با بررسی ویژگی‌های انرژی می‌توان به شناخت و درک مفهوم آن نزدیک شد. در کتاب‌های علوم دوره ابتدایی و همچنین در کتاب علوم تجربی پایه هفتم با برخی از ویژگی‌های انرژی به تدریج آشنا می‌شویم.
ویژگی‌های انرژی
یکی از ویژگی‌های انرژی این است که «در همه‌چیز و همه‌جا وجود دارد». از کوچک‌ترین اجزای ماده، یعنی اتم، بگیرید تا سیاره‌هایی که به دور خورشید در حرکت‌اند. از اتم‌های تشکیل‌دهنده کتابی که روی میز ساکن به نظر می‌رسد بگیرید تا ذرات تشکیل‌دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها؛ یعنی کوارک‌ها، انرژی در همه‌چیز و همه‌جا وجود دارد. همچنین، از خورشید که نسبت به میلیون‌ها ستاره کهکشان راه شیری در حرکت است بگیرید تا میلیون‌ها کهکشانی که خود از صدها میلیون ستاره تشکیل شده‌اند، انرژی در همه‌چیز و همه‌جا وجود دارد (شکل 1). حتی در خلأ هم که فرض می‌شود در آنجا چیزی وجود ندارد، انرژی وجود دارد و دمای منفی 270 درجه سانتی‌گراد نشان‌دهنده آن است که در خلأ هم چیزهای وجود دارند که انرژی ناشی از آن چیزها، سبب این دمای بسیار کم شده است!
دیگر ویژگی انرژی آن است که «شکل‌های متفاوتی دارد». در یک نگاه کلی، انرژی یا به صورت مکانیکی است یا به صورت امواج الکترومغناطیسی (مانند نوری که از خورشید به ما می‌رسد). برای انتقال انرژی مکانیکی، به محیط مادی نیاز داریم، در حالی که انرژی امواج الکترومغناطیسی در محیط غیرمادی نیز می‌توانند منتقل و منتشر شوند (شکل 2).
انرژی جنبشی وابسته به حرکت جسم است و هر جسمی که در حال حرکت باشد، دارای انرژی جنبشی یا حرکتی است. انرژی پتانسیل یا ذخیره‌ای انواع متفاوتی دارد که پس از آزادشدن می‌توانند برای ما کار انجام دهند و به شکل‌های دیگر انرژی تبدیل شوند (شکل 3).
سومین ویژگی انرژی آن است که «شکل‌های گوناگون آن می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند». برای تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر باید کار انجام شود. به عبارت دیگر، وقتی روی جسمی کار انجام می‌شود، انرژی به آن جسم منتقل می‌شود. به همین دلیل است که می‌گویند: «کار انرژی را بین دو جسم منتقل می‌کند» و هنگام انتقال انرژی، شکل آن نیز معمولاً تغییر می‌کند.
برای روشن‌شدن موضوع به توپ ساکنی روی زمین فکر کنید که قرار است آن را پرتاب (شوت) کنیم. در زمان کوتاهی، نیروی نسبتاً بزرگی از طرف پای ما به توپ وارد می‌شود. وقتی این نیرو به توپ وارد آید، توپ در هنگام تماس پا با آن، اندکی جابه‌جا می‌شود و روی آن کار انجام می‌گیرد. کار انجام‌گرفته روی توپ، انرژی پتانسیل شیمیایی بدن ما را به توپ منتقل می‌کند. اگر توپ پس از شوت‌شدن تنها روی زمین حرکت کند، دارای انرژی جنبشی می‌شود و اگر به هوا پرتاب شود، هم دارای انرژی جنبشی خواهد بود و هم انرژی پتانسیل گرانشی به دست می‌آورد (شکل 4).
آخرین ویژگی انرژی آن است که «مقدار کل انرژی در یک سامانه منزوی پایسته است.» این بیانی از قانون پایستگی انرژی است که کاربرد فراوانی در حل مسائل علوم دارد. برای روشن‌تر شدن مفهوم این قانون به شکل‌های 5 و 6 توجه کنید.
یک ژول چقدر است؟
همان‌طور که می‌دانید انرژی را بر حسب یکای ژول و با نماد J بیان می‌کنند. وقتی برای مثال از شما پرسیده شود «یک متر چقدر است؟» از آنجا که با توجه به تجربه‌های زندگی روزمره، نسبت به یک متر و اندازه تقریبی آن حسی دارید معمولاً با بازکردن دو دست خود از یکدیگر، مقدار تقریبی آن را نشان می‌دهید. آیا همین احساس را در خصوص یک ژول هم دارید؟ برای به دست آوردن این حس، مثالی می‌زنیم. اگر جسمی به جرم یک کیلوگرم با سرعت یک متر بر ثانیه در حرکت باشد، با توجه به رابطه انرژی جنبشی آن برابر یک ژول است. برای آنکه حس خودتان را نسبت به این که «یک ژول چقدر است؟» تقویت کنید با توجه به معادله انرژی جنبشی می‌توانید تمرین‌های فراوانی برای خودتان طراحی کنید که نتیجه حاصل برای انرژی جنبشی جسم برابر یک ژول باشد. در ادامه تعدادی تمرین در جدول زیر پیشنهاد شده است.
جمع‌بندی
در علوم معمولاً برای معرفی برخی کمیت‌ها تعریفی ارائه می‌شود که به کمک آن تعریف می‌توان کمیت مورد نظر را اندازه گرفت. برای مثال، چگالی هر جسم به صورت نسبت جرم جسم به حجم آن تعریف می‌شود. یعنی اگر جرم جسمی را به کمک ترازو اندازه بگیریم و حجم آن را به دست آوریم، به سادگی می‌توانیم بر اساس تعریف، چگالی جسم را حساب کنیم. به تعریف‌کردن یک کمیت در علوم به این شیوه، «تعریف عملیاتی» گفته می‌شود. در مثال چگالی، شما با دانستن تعریف آن، که در واقع یک تعریف عملیاتی است، به سادگی می‌توانید چگالی هر جسمی را پیدا کنید.
وقتی جسمی را روی زمین می‌کشیم یا هُل می‌دهیم و آن را از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر جابه‌جا می‌کنیم، به سادگی می‌توانیم با محاسبه کار نیرویی که سبب جابه‌جایی جسم شده است، انرژی مصرف‌شده توسط بدنمان را برای جابه‌جایی جسم پیدا کنیم. به عبارت دیگر، با محاسبه کار انجام‌شده می‌توانیم انرژی صرف شده برای جابه‌جایی جسم را به دست آوریم. پس این تعریف رایج که: «انرژی یعنی توانایی انجام کار»، تعریف عملیاتی انرژی است و نه تعریفی که به شناخت و درک ما از مفهوم انرژی منجر شود. بر اساس تعریف عملیاتی انرژی، اگر بخواهیم انرژی مصرف‌شده را، مثلاً هنگام کشیدن یا هُل‌دادن یک جسم، پیدا کنیم تنها از طریق کار انجام‌شده می‌توانیم این انرژی را به دست آوریم.
پی‌نوشت
1. همان‌طور که اشاره شده است مفهوم و ایده انرژی مفهومی جدید و مربوط به حدود 70 سال قبل است. خوب است بدانید دانشمندان مسلمان به امر بررسی حرکت اجسام از مفاهیمی همچون قوه و فعل استفاده می‌کردند که بیشتر مبنای فلسفی داشتند.