११. कार्य आणि ऊर्जा

कार्य

करून पहा.

१. एक रिकामी पेटी घेऊन चित्रात दाखवल्याप्रमाणे तिला दोर बांधा.

२. दोराच्या साहाय्याने ती ओढत १० मीटर अंतर सरळ रेषेत चाला.

३. आता त्याच पेटीमध्ये २० पुस्तके भरा.

४. पुन्हा दोराच्या साहाय्याने ओढत १० मीटर अंतर सरळ चाला. कोणता अनुभव आला ?

५. आता पेटीत २० पुस्तके भरून २० मीटर अंतर सरळ चाला.

६. कोणत्या वेळेस कार्य अधिक झालेले जाणवले ?

 सारख्याच अंतराचे विस्थापन झाले, तरी ज्या कार्यास जास्त बल लागते ते कार्य अधिक असते. सारखेच बल लावून जास्त विस्थापन झाले तर ते कार्यही अधिक असते.

करून पाहूया

१. एक पुली (कप्पी) घ्या ती उंच ठिकाणी पक्की बांधा पुलीवरून दोर टाकून दोराचे एक टोक तुमच्या हातात पकड़ा व दुसऱ्या टोकाला दोन किलोग्रॅम वजनाचे एक ओझे बांधा सुरवातीस ते ओझे पुतीच्या साहाय्याने एक मीटर उंचीपर्यंत उचला पुन्हा तेच ओझे पुलीच्या साहाय्याने चार मीटर उंचीपर्यंत उचला कोणत्या वेळेस कार्य अधिक होईल?

सारखेच बल वापरले असताना जास्त विस्थापन झालेले कार्य अधिक असते, म्हणजेच कार्य मोजण्यासाठी बल आणि झालेले विस्थापन दोन्हींचा विचार करावा लागतो.

कार्य-ऊर्जा संबंध

चित्रातील मुलाने खेळण्यातल्या गाडीला बल लावलेले आहे गाडीला लावलेल्या बलामुळेच गाडीचे विस्थापन होऊन कार्य पडले आहे. म्हणजेच ऊर्जेचे रूपांतरण बलामार्फत कार्यात झाले आहे.

२ तुम्ही तुमच्या मित्रासोबत धावत मैदानावरती फेच्या मारा तुम्ही जेवढ्या फेन्या माराल, तेवढ्याच फेऱ्या तुमचे मित्र मारू शकतील का?

मित्रा मित्रांमधील फेल्या मारण्याची क्षमता एकसारखी असेल का?

तुम्ही मैदानावरती जेवल्या फेऱ्या माराल त्यापेक्षा कमी किंवा जास्त फेल्या तुमचे मित्र मारतील फेऱ्यांची संख्या सारखी असणार नाही मैदानावरती कोणी दोन फेल्या मारून दमेल, कोणी तीन-चार फेऱ्या मारून दमेत म्हणजेच प्रत्येकामध्ये फेज्या मारण्याची क्षमता एकसारखी नाही. तुमच्यामध्ये जेवढी क्षमता असेल तेवढ्याच फेन्या तुम्ही मारू शकाल कार्य करण्याच्या क्षमतेलाच ऊर्जा म्हणतात.

ऊर्जेची रूपे

अ. यांत्रिक ऊर्जा

सांगा पाहू !

चित्रांत दिसणाऱ्या क्रियेमधून काय घडेल ?

१. रबराचा तुकडा ताणून सोडून दिला.

२. गलोलीला दगड लावून तिचे रबर ताणून सोडून दिले. वरील उदाहरणांवरून लक्षात येते, की गलोलीचे रबर ताणून सोडून दिले, तर ते मूळच्या स्थितीत परत येते व दगड लांबवर जातो. याप्रमाणेच खेळण्याला चावी देऊन सोडून दिले, तर खेळणे चालायला लागते. उंचावरती साठवलेले पाणी चक्रावरती सोडले, तर चक्र फिरायला लागते. या प्रत्येक क्रियेत विस्थापन होते, म्हणजे कार्य होते. हे कार्य होण्यास ऊर्जा कोठून मिळाली ? वस्तूच्या विशिष्ट स्थितीमुळे किंवा स्थानामुळे पदार्थात किंवा वस्तूत साठवल्या गेलेल्या ऊर्जेला स्थितिज ऊर्जा म्हणतात.

करून पाहूया.

१. दोन चेंडू घ्या. त्यांपैकी एक चेंडू टेबलावर मध्यभागी स्थिर ठेवा.

२. दुसरा चेंडू टेबलावर ठेवून, तो पहिल्या चेंडूवर आदळेल असा त्याला धक्का दया.

३. दुसरा चेंडू पहिल्या चेंडूवर आदळल्यानंतर काय घडेल ?

४. दुसऱ्या चेंडूमध्ये पहिल्या चेंडूला गतिमान करण्यासाठी ऊर्जा कोठून आली ?

सांगा पाहू !

१. गोट्यांच्या खेळामध्ये गोटी टोलवण्यासाठी गोटीमध्ये ऊर्जा कोठून येते ?

२. कॅरम खेळत असताना सोंगटी गतिमान करण्यासाठी स्ट्रायकरमध्ये ऊर्जा कोठून येते? अशा प्रकारे गोटी व स्ट्रायकरला आपण ऊर्जा दिल्यावर गोटी व सोंगटी गतिमान झाली.

गतीमुळे प्राप्त झालेल्या ऊर्जेला गतिज ऊर्जा असे म्हणतात.

यांत्रिक कार्य करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या ऊर्जेला यांत्रिक ऊर्जा असे म्हणतात. स्थितिज ऊर्जा व गतिज ऊर्जा असे यांत्रिक ऊर्जेचे दोन प्रकार आहेत. स्थितिज ऊर्जा स्थितीमुळे, तर गतिज ऊर्जा गतीमुळे प्राप्त होते.

आ. उष्णता ऊर्जा

सूर्यामुळे पृथ्वीला योग्य प्रमाणात उष्णता मिळते, म्हणून वातावरणाचे तापमान सजीवसृष्टीस अनुकूल असे राखले जाते. इंधनाच्या ज्वलनाने उष्णतेची निर्मिती होते. स्वयंपाकघरात उष्णता ऊर्जेचा सतत वापर होतो. उष्णता हे एक ऊर्जेचे रूप आहे. सूर्यप्रकाशात उष्णता ऊर्जा असते. ही कॅलरी या एककात मोजली जाते

करून पाहूया.

१. एक बहिर्गोल भिंग घेऊन एका कागदासमोर ते सूर्यप्रकाशात घरा.

२. आता भिंग अशा प्रकारे मागे-पुढे करा, की जेणेकरून कागदावर प्रकाशाचा बारीकसा ठिपका दिसेल.

३. भिंग या स्थितीत थोडा वेळ धरून ठेवा. काय दिसले?

इ. प्रकाश ऊर्जा

सूर्यप्रकाशाच्या साहाय्याने वनस्पती अन्न तयार करतात म्हणजे प्रकाश ऊर्जेचे रूपांतरण अन्नातील ऊर्जेत होते. हे आपण शिकलो आहोत. या अन्नाचा वापर वनस्पती आणि प्राणी त्यांची कामे करण्यासाठी करतात म्हणजे प्रकाश हे ऊर्जेचे रूप आहे हे समजते.

माहिती मिळवा.

१. साधारणतः डिसेंबर ते जानेवारीपर्यंत बाजारात येणारी द्राक्षे आंबट असतात, मात्र मार्च-एप्रिलमध्ये येणाऱ्या द्राक्षांमध्ये गोडी असते. असे का?

२. टीव्ही, मोबाइल, लॅपटॉप व चित्रपटगृहातील पदावर दृश्य कसे दिसते?

ऊ. ध्वनी ऊर्जा

मोठ्या आवाजामुळे खिड़कांच्या काचांना तडे गेलेले तुम्ही पाहिले असेल. त्याचप्रमाणे खेळण्यातील काही मोटारींची हालचाल नियंत्रित करण्यासाठी ध्वनीचा वापर केला जातो, म्हणजे ध्वनीमुळे काही कार्ये होतात यावरून, ध्वनी हे ऊर्जेचे एक रूप आहे हे लक्षात येते.

 रासायनिक ऊर्जा

लाकूड जळू लागले, की उष्णता व प्रकाश मिळतो. काही वेळा जळण्याचा आवाजही होतो. असे का होते? लाकडात साठलेली ऊर्जा रासायनिक क्रियेतून वेगवेगळ्या रूपात बाहेर पडते, सेड अॅसिड बॅटरीमध्ये होणाऱ्या रासायनिक क्रियेने विदयुत ऊर्जा निर्माण होते.

रासायनिक क्रियेमधून मिळणाऱ्या ऊर्जेस रासायनिक ऊर्जा म्हणतात.

आपल्या रोजच्या वापरातील पंखा, दिवा, मिक्सर, टीव्ही, रेडिओ, फ्रीज, वाशिंग मशिन, इस्त्री इत्यादी उपकरणांच्या कार्यांचे निरीक्षण करा. त्यांचे कार्य होण्यासाठी त्यांना कोणत्या स्वरूपात ऊर्जा मिळते ?

ऊर्जेचे रूपांतरण

कार्य होताना ऊर्जेचे रूपांतर होत असते. एक ऊर्जा रूपांतरणाची साखळी लक्षात घेऊ.. जलचक्राच्या प्रक्रियेमध्ये सूर्याच्या उष्णतेमुळे समुद्राच्या पाण्याची वाफ होते. वाफेचे ढग होतात. त्यांच्यापासून पाऊस पडतो, पाणी नदयांमधून वाहून धरणांमध्ये साठते. धरणाचे पाणी उंचावर असल्यामुळे त्यात स्थितिज ऊर्जा असते. ते खाली येत असताना स्थितिज ऊर्जेचे गतिज ऊर्जेमध्ये रूपांतर होते असे पाणी जनित्रातील पात्यावर पडले, की त्याची गतिज ऊर्जा जनित्राला मिळते व पाती फिरल्यामुळे विदयुत ऊर्जेची निर्मिती होते पुढे त्याचे रूपांतर विविध ऊर्जेत होते.

विदयुत ऊर्जेचा वापर घरामध्ये विविध कारणांसाठी केला जातो. विदयुत ऊर्जेचे रूपांतरण बल्ब (दिवा) लावल्यास प्रकाश ऊर्जेत, पंखा चालू केल्यास गतिज ऊर्जेत, टेप चालू केल्यास ध्वनी ऊर्जेत, तर ओव्हन लावल्यास उष्णता ऊर्जेत होते.

यावरून असे लक्षात येते, की सर्व ऊर्जा रूपांतरणांमध्ये अप्रत्यक्षपणे सूर्याच्याच ऊर्जेचा उपयोग आपण करत असतो, म्हणजेच सूर्य हा सर्व ऊर्जाचा प्रमुख स्रोत आहे.

ऊर्जा स्रोत

ऊर्जा मिळण्याची साधने म्हणजे ऊर्जा स्रोत होय. ऊर्जा स्रोताचे दोन प्रकारांत वर्गीकरण करता येईल.

१. पारंपरिक ऊर्जा स्रोत किंवा अनवीकरणीय ऊर्जा स्रोत शतकानुशतके मानव ज्या ऊर्जा स्रोतांचा वापर करतो आहे, त्या ऊर्जा स्रोतांना ‘पारंपरिक ऊर्जा स्रोत’ म्हणतात.

पारंपरिक ऊर्जा स्रोतांमध्ये गाई- म्हशींच्या शेणापासून बनवलेल्या गोवऱ्या, वनस्पतींचा पालापाचोळा तसेच लाकूड, कोळसा व अलीकडील काळातील जीवाश्म इंधने जसे, पेट्रोल, डिझेल, नैसर्गिक वायू यांचा समावेश होतो. हे ऊर्जा स्रोत आपल्याला पुन्हा निर्माण करता येत नाहीत.

वाढती लोकसंख्या व ऊर्जा स्रोतांचा वाढता वापर लक्षात घेता कोळसा, पेट्रोल, डिझेल, खनिज तेल, नैसर्गिक वायू यांचे साठे मर्यादित असल्याने ते संपून जाण्याचा धोका निर्माण झाला आहे. म्हणून पारंपरिक ऊर्जा स्रोतांना पर्यायी व पूरक स्रोत वापरणे श्रेयस्कर ठरणार आहे.

२. अपारंपरिक ऊर्जास्रोत किंवा नवीकरणीय ऊर्जास्रोत

या ऊर्जास्रोतांचा वापर पूर्वपरंपरेने करण्यात येत नव्हता हे ऊर्जा स्रोत अक्षय व अखंड आहेत व विविध स्वरूपांत ते पुन्हा पुन्हा वापरले जातात.

अ. सौर ऊर्जा : सूर्यापासून मिळणारी ऊर्जा अखंड व प्रचंड स्वरूपात आहे. पृथ्वीवर उपलब्ध असणाऱ्या सर्व ऊर्जेच्या मुळाशी सौर ऊर्जाच आहे. सौर ऊर्जा उपयोगात आणण्यासाठी नवनवीन साधने विकसित करण्यात आली आहेत. जसे, सौर चूल, सौर जलतापक, सौर शुष्कक, सौरविदयुत घट इत्यादी.

पहिल्या तीन उपकरणांमध्ये सूर्यापासून मिळणाऱ्या उष्णता ऊर्जेचा वापर केला गेला आहे आणि त्यामुळे अन्न शिजवणे, पाणी गरम करणे, धान्य वाळवणे शक्य झाले आहे. तसेच सौर विदयुत घटामुळे विद्युत ऊर्जा मिळवणे शक्य झाले आहे. मोठ्या प्रमाणात विदयुत निर्मिती करण्याची क्षमता सौर विद्युत संयंत्रात आहे. या संयंत्रात अनेक सौर विदयुतघट असतात.

आ. पवन ऊर्जा : वेगाने वाहणाऱ्या वाऱ्याचा वापर करून पवनचक्कीद्वारे विदयुत निर्मिती केली जाते. पवनचक्कीचा वापर विहिरीतील पाणी काढण्यासाठीसुद्धा केला जातो.

इ. सागरी ऊर्जा : समुद्रातील खाडीकडील चिंचोळा भाग निवडून त्या ठिकाणी भिंत बांधतात. भरती ओहोटीमुळे निर्माण होणाऱ्या लाटांमुळे भिंतीत बसवलेले जनित्राची पाती फिरू लागतात व वीज तयार होते.

ई. जलविद्युत ऊर्जा : उंच ठिकाणी धरणामध्ये साठवलेले पाणी बोगद्याच्या साहाय्याने खाली आणून जनित्राची पाती फिरवली जातात. अशा पद्धतीने वीजनिर्मिती करणाच्या केंद्रांना ‘जलविद्युत केंद्र म्हणतात. महाराष्ट्रात कोयना धरणावर मोठा जलविद्युत प्रकल्प कार्यरत आहे. इतर धरणांवरही लहान जलविद्युत प्रकल्प कार्यरत आहेत..

उ. समुद्रातील लहरींपासून मिळणारी ऊर्जा

समुद्रातील लाटा पुढे पुढे जाताना एखादया ठिकाणी पाणी नियमितपणे वर-खाली होत असते. या गोष्टीचा उपयोग करूनही विदयुत निर्मिती करता येते.

ऊ. अणू ऊर्जा : वीजटंचाईचे गंभीर संकट लक्षात घेता अणू ऊर्जेद्वारे विजेचे उत्पादन करता येते. युरेनिअम, थोरिअम यांसारख्या जड मूलद्रव्यातील अणुच्या विघटनातून निघणाच्या उष्णतेचा वापर करून वीजनिर्मिती केली जाते.