EL SUEÑO DEL
MOVIMIENTO PERPETUO
Durante
siglos, la humanidad ha acariciado dos sueños: el de la «piedra
filosofal», con la que se podría fabricar oro, y el
del «elixir de larga vida», destinado a garantizar la
eterna juventud.
A comienzos
de la Edad Moderna se añadió un tercer sueño
a los dos primeros: el del «movimiento perpetuo», o,
dicho en latín, perpetuum mobile; es decir, una máquina,
un sistema, capaz de producir trabajo (o sea, energía) sin
absorberla.
Fig. 1 - Modelo
del perpetuum mobile construido
hacia 1500 por Leonardo da Vinci. | Model of the perpetual motion machine built around 1500 by Leonardo da Vinci. |
Leonardo
da Vinci (1452 - 1519), quien, como se sabe, no sólo
era un gran pintor, sino también un ilustre científico
y gran inventor, fue el primero en intentar construir un sistema
que lograra realizar tales aspiraciones, y probablemente no
hay ingeniero, que en su juventud no haya tratado de crear,
a su vez, un perpetuum mobile.
Todas
estas invenciones o mecanismos (sean de un genio como Leonardo
o de un estudiante de Escuela Superior con afición
por la mecánica) tienen tres características
comunes: todas son terriblemente complicadas, razón
por la que nunca se llega a comprender de qué se trata
con exactitud; los únicos entusiastas convencidos de
la utilidad de estos ingenios son sus constructores; y, por
último, tales mecanismos prodigiosos no funcionan,
o al menos, no funcionan bien del todo. |
A decir
verdad, no pueden funcionar, lo que hoy se sabe ya con toda seguridad;
y tanto es así, que las oficinas de patentes rechazan, sin
ni siquiera examinarlos, todos los inventos relacionados con el movimiento
perpetuo.
¡Energía
de la nada!
¿Acaso
hace falta explicar por qué esta idea ha atraído tanto
la fantasía humana? i Sería un invento extraordinario!
Una maquina que sin gasolina, sin electricidad, sin que se le suministre
energía, no sólo funcione, sino que también
produzca energía; o, dicho de otro modo, ¡crear energía
de la nada!
Fig. 2 - La
rueda de agua, hoy en completo desuso, constituyó en
tiempos una fuente de energía de las mas difundidas. | The waterwheel, now completely obsolete, once constituted one of the most widespread sources of energy. |
Y
así como la piedra filosofal significaba la riqueza
sin límites y el elixir de larga vida una salud perfecta,
así el perpetuum mobile aseguraría una potencia
ilimitada e infinitas posibilidades de hacer la existencia
más cómoda y placentera. Y esto porque todo
lo que acaece en el mundo requiere un empleo de energía.
|
Nada,
absolutamente nada, ocurre en el mundo material sin la intervención
de la energía. La energía física produce ciertos
efectos sensibles.
A la
energía se debe el que, en nuestro cerebro, unas oscilaciones
casi imperceptibles de potencial eléctrico de las células
nerviosas señalen el ritmo de nuestra actividad cerebral.
Fig. 3 - En
el antiguo Egipto, el transporte de una gran estatua requería
el esfuerzo de muchos centenares de esclavos. | In ancient Egypt, the transportation of a large statue required the effort of many hundreds of slaves. |
También obedece a un efecto energético el que
un huracán azote vastas regiones, que una leve brisa
arrastre un grano de polen o que unos solidísimos diques
cedan a la presión de un río desbordado; se debe
a la energía, en fin, el que un leve murmullo llegue
al oído. Cuanto mayor es la energía transformada
en el proceso, mayores resultan los efectos producidos. Y este
principio no sólo es válido para la naturaleza,
sino también para la tecnología creada por el
hombre. |
El
hombre y la energía
El
trabajo que un ser humano puede producir gracias a su fuerza muscular
es francamente risible comparado con las enormes cantidades de energía
que proporcionan las fuentes energéticas hoy corrientes.
Su capacidad de trabajo en ocho horas equivale a un vigésimo
de caballo de vapor (0,05 CV), lo cual apenas basta para encender
una lamparilla o hacer funcionar un pequeño ventilador de
mesa.
Fig. 4 - En
el año 1586, para alzar el obelisco de la plaza de
San Pedro, en Roma, fueron movilizados casi mil hombres. | In the year 1586, nearly a thousand men were mobilized to raise the obelisk in St. Peter's Square in Rome. |
Mientras
el hombre no pudo contar más que con su propia fuerza
física, consumió sus energías en la lucha
por la existencia y en defenderse de un ambiente circundante
hostil. Las obras de su esfuerzo eran, por tanto, de escasa
importancia o bien requerían un empleo de mano de obra
y unos esfuerzos gigantescos.
Cuando,
hace 4500 años, el faraón egipcio Keops mandó
erigir la pirámide destinada a conservar sus restos mortales
para la eternidad - según describe el historiador griego
Heródoto - , tuvo que movilizar unos cien mil hombres,
que trabajaron durante veinte años sin interrupción. |
Nuestros
antepasados, que gustaban tanto como nosotros de una existencia cómoda
y placentera, no podían concebir que eso se lograra sin esclavos,
hasta el punto de que el filósofo Platón (427 - 347
antes de J.C.), cuyo pensamiento plasmó de manera decisiva
la concepción clásica del mundo, daba por descontada
la presencia de esclavos en su Estado ideal, por contradictoria que
parezca la idea de la esclavitud con la de la perfección. Y
también habla de esclavos Tomás Moro en el año
1516, al describir en su Utopía un Estado ideal basado en principios
comunistas.
Fig. 6 - Sólo
la moderna tecnología ha liberado a la sociedad de
la trágica realidad del trabajo infantil en las minas.
Este dibujo data de 1850, cuando numerosos niños se
esforzaban en las galerías. | Only modern technology has liberated society from the tragic reality of child labor in mines. This drawing dates back to 1850 when numerous children toiled in the galleries. |
Desde
los albores de la Historia, el hombre ha tratado de obtener
provecho de la energía disponible en la naturaleza.
La evolución de la técnica consistía
en gran parte en la conquista de nuevas fuentes de energía
y de procedimientos mediante los cuales dominarla, canalizarla
y hacerla utilizable.
|
Hoy
podríamos construir la pirámide de Keops, lo mismo
que hacemos con nuestros enormes diques, en una fracción
mínima del tiempo empleado en la época faraónica
y sirviéndonos de relativamente pocas máquinas, excavadoras
y grúas, manejadas por un puñado de obreros especializados.
Hoy edificamos casas de varios pisos en tiempos mínimos,
nos desplazamos por las autopistas a velocidades de más de
cien kilómetros por hora, transportamos por vía aérea
toneladas de carga, construimos puentes de varios kilómetros
de longitud que salvan brazos de mar, excavamos túneles en
las montañas y bajo el mar, enviamos hombres a la Luna e
ingenios a otros planetas y, además, podemos destruir ciudades
enteras con una sola bomba. Todo ello cosas posibles siempre que
contemos con grandes fuentes de energía.
En la
actualidad, el consumo de corriente eléctrica per cápita
constituye en sí mismo una medida del desarrollo de un país,
porque cuanto facilita y hace agradable la existencia, cuanto sirve
para reducir el esfuerzo y el trabajo, exige el empleo de energía.
Pero,
¿qué es esa cosa milagrosa que, bajo la forma de energía
eléctrica, constituye nuestra criada para todo, pues caldea
la casa en forma de energía térmica; mueve nuestros
automóviles en forma de energía mecánica; como
energía química está contenida en el carbón;
como energía radiante recorre el espacio a la velocidad de
la luz; como energía atómica está presente incluso
en el más minúsculo fragmento de materia?
¿Cómo
describir algo capaz de transformarse como un genio de las Mil y Una
Noches, puesto que llena con la gasolina el depósito del automóvil,
para convertirse luego, una vez en marcha el motor, en energía
térmica; aparecer poco después, en forma mecánica,
en el árbol de transmisión, y convertirse, además,
en electricidad en la dinamo para propagarse al exterior en forma
de rayo de luz producido por los faros?
¿Cuál
es el elemento común, único y siempre igual, en todas
estas manifestaciones? ¿Cuál es la verdadera esencia
de la energía?
Hemos
de reconocer que no lo sabemos. Conocemos, sí, las diversas
formas de la energía, podemos transformar una en otra a voluntad,
sabemos qué efectos produce cada una de ellas, podemos medirla,
dominarla, dirigirla y desviarla sin ninguna dificultad; pero ignoramos
qué es la energía en sí. En su forma mecánica,
la más aparente, la definimos como «el producto de
la fuerza por la distancia recorrida». Pero se trata sólo
del producto de dos magnitudes físicas, y no de una definición
efectiva de la esencia de la energía.
Pero
sí podemos, y aun debemos, hacer una cosa, aunque ello pueda
recordar las tediosas lecciones escolares: es nuestra obligación
decir qué queremos significar exactamente con la palabra
«energía», para establecer con precisión
de qué estamos hablando.
Energía,
trabajo, potencia
El
vocablo “energía” deriva del griego enérgeia, que viene a significar “actividad
natural”. El término se empleó por primera vez
en sentido moderno hace casi quinientos años. En Física,
por energía se entiende “la capacidad de realizar trabajo”.
Energía
= capacidad de realizar trabajo
Pero,
¿qué significa trabajo?. Cuando arrastramos por un
tramo de carretera un carro pesado efectuamos un trabajo, y no sólo
en el sentido común de la palabra, sino también en
su exacta acepción física. La única diferencia
consiste en que la medida del esfuerzo físico depende en
gran parte de la fuerza de la persona que tira del carro, mientras
que el trabajo en sentido físico está exactamente
definido, y responde a la fórmula:
Trabajo
= fuerza X espacio recorrido
Hay
que tener presente que la fuerza que produce trabajo es la que se
mueve en la dirección del movimiento: en el caso de nuestro
ejemplo, la que produce trabajo es la tracción ejercida sobre
el carro, y no el peso del vehículo, que es una fuerza perpendicular
a la dirección del movimiento.
Trabajo
= fuerza X espacio
Digamos
que un carro que pesa 1000 kilogramos necesita una fuerza determinada
para poderse mover; pues bien, se define como “kilográmetro”
la fuerza necesaria para trasladar el peso de un kilogramo durante
un metro en la dirección de la fuerza. Supongamos que se necesiten
ocho kilográmetros para mover el carro: si el tramo de carretera
tiene un kilómetro de longitud, es decir, mide mil metros,
el trabajo necesario será de 8 x 1000 = 8000 kilográmetros.
La unidad de medida del trabajo es el kilográmetro (kgm).
La velocidad
con que se recorre el tramo de carretera en cuestión es indiferente
y no cambia la importancia del trabajo.
Existe
también una segunda magnitud física importante, que
considera la velocidad con que se efectúa un trabajo. Dicha
magnitud es la “potencia”, que se define como “trabajo
por segundo”,
Potencia
= trabajo/segundo
Si para
recorrer la carretera se precisa una hora, es decir, 3600 segundos,
la potencia será de unos 8000 kgm: 900 sg = 9,8 kilográmetros
por segundo. La unidad de medida de potencia es, pues, el kilográmetro
por segundo (kgm/sg).
Fig. 7 - Cuando
no se dispone de máquinas, hay que recurrir a la fuerza
física del hombre. En la fotografía, vemos la
construcción de una presa cerca de Pekín, China. | When machines are unavailable, one must resort to human physical strength. In the photograph, we see the construction of a dam near Beijing, China. |
El
inventor de la máquina de vapor, James Watt, introdujo
una unidad de medida llamada caballo de vapor, equivalente
a 75 kgm/sg ( 1 CV = 75 kgm por segundo ) ; la decisión
fue un tanto arbitraria, porque en realidad la potencia de
un caballo es de cerca de la mitad. Pero como, por otra parte,
esta unidad de medida de la potencia permite utilizar cifras
precisas, sigue en uso.
Por
consiguiente, se establece una distinción entre trabajo
(kgm) y potencia (kgm/sg, o bien, CV). Téngase presente
que, sobre todo en el uso cotidiano, se suele sustituir, erróneamente,
la palabra «fuerza» por el término «potencia».
También se debe aclarar que la energía, en cuanto
«capacidad de efectuar trabajo», se mide, lo mismo
que el trabajo, en kilográmetros.
Y
con esto termina nuestra breve lección . |
La
transformación de la energía
Después de lo dicho, queda claro que la energía
puede evitar la fatiga de tirar del carro. Si disponemos de determinada
cantidad de energía y estamos en condiciones de aplicarla
correctamente, nos será posible levantar y transportar cargas,
mover vehículos y máquinas, producir calor y luz cuando
y donde queramos; en una palabra, nos garantizará todas aquellas
comodidades que hacen más grata la existencia.
Fig. 8 - Excavadora
trabajando en una mina de lignito a cielo abierto. La máquina
libera al operario de muchos esfuerzos físicos. | Excavator working in an open lignite mine. The machine relieves the operator of many physical efforts. |
Pero,
¿cómo producir esta fuerza milagrosa que libera
del esfuerzo físico y nos permite dedicarnos a otras
actividades que no sean la pura lucha por la existencia? Lo
que la naturaleza pone a nuestra disposición no difiere
de lo que concede también a plantas y animales: la luz
y el calor del sol, la energía química contenida
en los alimentos, necesaria para el desarrollo de los procesos
vitales. |
Sin
embargo, todo cuanto deriva de ello (calor en invierno, luz por
la noche y, sobre todo, las enormes energías mecánicas
que alivian el esfuerzo físico) ha tenido que creárselo
el hombre. Y esto explica la obstinación con que ha tratado
de conseguir el movimiento perpetuo.
La razón
de que no sea posible lograrlo fue descubierta por el médico
alemán Julius Robert Mayer, quien en 1840 realizó un
viaje a las Indias Orientales en calidad de médico de un buque.
Al hacer una sangría a unos marineros en una bahía de
la isla de Java, Mayer comprobó que la sangre venosa, que es
azulada en Europa, presenta una tonalidad mucho más clara en
los trópicos, hasta el punto de que se asemeja a la arterial,
de color rojo vivo gracias a su alto contenido de oxígeno.
Mayer
llegó a la conclusión de que en las regiones tropicales
el cuerpo humano consume menos oxígeno que en las zonas del
globo más frías.
Como se
sabe, el organismo utiliza el oxígeno para obtener energía
de los alimentos. Un menor consumo de oxígeno supone, pues,
que el organismo produce menos energía, y a ello se debe que
en las regiones cálidas se requiera poco calor para mantener
la temperatura corporal.
De esta
comprobación era lógico deducir que la cantidad de energía
existente en el mundo permanecía inmutable. Y en un trabajo
publicado en 1842, Mayer afirmó que «la energía
disponible no puede ser destruida, y ni siquiera se puede cambiar
la forma en que se manifiesta». Intuición que confirmó
y completó, con los experimentos oportunos, el inglés
James Prescott Joule.
|
La
energía, pues, no puede surgir de la nada, ni tampoco
anularse. En la actualidad, esta afirmación resulta mucho
más clara, porque sabemos que la energía puede
transformarse directamente en materia; y ningún científico
se forja ilusiones respecto a que la materia pueda ser creada
de la nada, ni siquiera acortando por el atajo de la energía.
Pero, ¿qué ocurre cuando nosotros, accionando
los frenos, «anulamos» la energía contenida
en un automóvil en marcha? La expresión «anular»
es errónea; en efecto, no «anulamos» la energía,
sino que simplemente la transformamos en calor, el que se origina
a consecuencia del roce entre la mordaza del freno y la parte
de la superficie interior de la rueda sobre la cual actúa;
y es tal la cantidad de calor generada, que puede poner incandescentes
las partes en contacto. |
Asimismo,
tampoco podemos «producir» energía, en la acepción
propia del término; ni podemos, por tanto, crearla, ni siquiera
en las centrales. En ellas sólo se produce una transformación
de la energía, que pasa de una forma constante en la naturaleza
a otra forma distinta, que podemos aprovechar para nuestros fines.
En nuestros días, nueve décimas partes de la energía
obtenida por la transformación de otras formas energéticas
se derivan del petróleo y el carbón, sustancias que
contienen grandes cantidades de energía; precisemos que en
este caso se trata de energía química, cuya importancia
se mide en «calorías», es decir, en cantidad de
calor obtenido por medio de la combustión.
Por lo
común, las cantidades de calor se expresan en «kilocalorías»,
unidades de medida que equivalen a mil calorías (una caloría
es la cantidad de calor necesaria para que la masa de un gramo de
agua destilada, a la presión de una atmósfera, aumente
su temperatura de 14,5° C a 15,5° C).
Una «kilocaloría»
(kcal o Cal) es la cantidad de calor que se precisa para calentar
un grado centígrado un kilogramo de agua. Así, por ejemplo,
1 kg de carbón proporciona 7000 Cal; 1 kg de petróleo,
9000 Cal; y 1 kg de carbón de leña, 3500 Cal. Dichas
calorías son, pues, las cantidades de calor que se obtienen
de la combustión de una masa de un kilogramo de cada sustancia
de las tres que hemos mencionado.
Mediante
la caldera de vapor y la turbina de vapor, la energía en cuestión
se transforma primero en mecánica, y luego, por medio de generadores
eléctricos, en eléctrica; esta conversión resulta
necesaria, por una parte, porque la electricidad es fácilmente
transportable a los lugares donde se utiliza, y, por otra, porque
con la misma sencillez puede invertirse luego el proceso y ser transformada,
a su vez, en calor, luz y energía mecánica.
La
posibilidad de convertir las diversas formas de energía de
una en otra presupone la existencia de proporciones y relaciones
constantes, es decir, de «equivalencias» entre una forma
y otra. Estas magnitudes de equivalencia se han establecido tras
cuidadosas investigaciones. Y así, por ejemplo, sabemos que
una kilocaloría corresponde a 427 kilográmetros que
equivalen, por su parte, a 0,00116 kilovatios / hora (kWh, es decir,
la unidad de medida de la energía eléctrica). En la
tabla adjunta encontrará el lector todos estos valores.
Fig. 9 - La
fuerza de un hombre equivale a 1/20 de CV. El trabajo diario que
desarrolla un individuo medio corresponde a la energía porporcionada
por 33 kilos de carbón, 22 centímetros cúbicos
de gasolina o 0,27 kWh, o bien al calor contenido en 2,7 litros
de agua hirviendo. | The force of a man is equivalent to 1/20 of a horsepower. The daily work performed by an average individual corresponds to the energy provided by 33 kilograms of coal, 22 cubic centimeters of gasoline, or 0.27 kWh, or to the heat contained in 2.7 liters of boiling water.
Nos hemos
referido con anterioridad a la escasa fuerza física del hombre,
y habíamos dicho que, en otros tiempos, si se quería
vivir con comodidad no había más remedio que servirse
del trabajo de los esclavos. Un hombre puede realizar en un día
un trabajo igual a casi cien mil kilográmetros, equivalentes
a 0,27 kWh. En 1968, el consumo medio de energía de una casa
de Europa central se evaluaba en 4,36 kWh; por tanto, para producir
una cantidad de energía similar habría sido necesario
el trabajo de dieciséis esclavos. Una casa media dispone hoy,
pues, del equivalente de dieciséis esclavos al menos, disponibles
día y noche, que cuestan poquísimo y obedecen a la menor
señal, ocupados en caldear, iluminar, ventilar, cocinar, aspirar
el polvo, lavar platos, etc.
English -
The Dream of Perpetual Motion
For centuries, humanity has cherished two dreams: that of the "philosopher's stone," which would enable the creation of gold, and that of the "elixir of long life," meant to ensure eternal youth.
At the beginning of the Modern Age, a third dream was added to the first two: that of "perpetual motion," or, in Latin, perpetuum mobile; meaning a machine or system capable of producing work (or energy) without absorbing it.
Leonardo da Vinci (1452 - 1519), who, as known, was not only a great painter but also a distinguished scientist and inventor, was the first to attempt to construct a system that could achieve such aspirations. Probably, there is no engineer who, in their youth, has not tried to create a perpetual motion machine.
All these inventions or mechanisms (whether by a genius like Leonardo or by a high school student with a passion for mechanics) share three common characteristics: they are all terribly complicated, which is why one never quite comprehends what they are precisely about; the only convinced enthusiasts of the usefulness of these contraptions are their builders; and lastly, such marvelous mechanisms either don't work or at least don't work entirely well.
To be honest, they cannot function, which is now known with absolute certainty. In fact, patent offices reject, without even examining them, all inventions related to perpetual motion. Energy from nothing!
Does one need to explain why this idea has captivated the human imagination so much? It would be an extraordinary invention! A machine that, without gasoline, without electricity, without being supplied energy, not only operates but also generates energy; or in other words, creating energy from nothing!
And just as the philosopher's stone meant boundless wealth and the elixir of long life promised perfect health, so would the perpetual motion ensure unlimited power and infinite possibilities to make existence more comfortable and pleasant. This is because everything that happens in the world requires the use of energy.
Nothing, absolutely nothing, happens in the material world without the intervention of energy. Physical energy produces certain perceptible effects.
It is thanks to energy that in our brain, nearly imperceptible oscillations of electrical potential in nerve cells signal the rhythm of our brain activity. It is also due to an energetic effect that a hurricane ravages vast regions, that a gentle breeze carries a grain of pollen, or that sturdy dams succumb to the pressure of a swollen river; in short, it's thanks to energy that a faint murmur reaches the ear. The greater the energy transformed in the process, the greater the effects produced. And this principle is not only valid for nature but also for the technology created by humans.
Man and Energy
The work a human can produce using their muscular strength is frankly laughable compared to the enormous amounts of energy provided by current energy sources. Their capacity for work in eight hours equals about one twentieth of a horsepower (0.05 HP), barely enough to light a small lamp or run a small desk fan. When humans could rely only on their physical strength, they expended their energies in the struggle for existence and in defending themselves from a hostile surrounding environment. The works of their effort were, therefore, of little importance or required extensive labor and enormous efforts.
When, 4,500 years ago, the Egyptian pharaoh Khufu ordered the construction of the pyramid to preserve his mortal remains for eternity - as described by the Greek historian Herodotus - he had to mobilize around one hundred thousand men who worked continuously for twenty years.
Our ancestors, who enjoyed a comfortable and pleasant existence as much as we do, couldn't conceive achieving it without slaves, to the extent that the philosopher Plato (427 - 347 BC), whose thoughts decisively shaped the classical conception of the world, took for granted the presence of slaves in his ideal state, despite the seeming contradiction between slavery and perfection. Even Thomas More speaks of slaves in 1516, describing in his 'Utopia' an ideal state based on communist principles.
Since the dawn of history, humans have sought to benefit from the energy available in nature. The evolution of technology largely consisted of the conquest of new sources of energy and the development of procedures to control, harness, and make it usable.
Today, we could construct the pyramid of Khufu (Cheops) in a fraction of the time taken during the pharaonic era, using relatively few machines such as excavators and cranes, handled by a handful of skilled workers. Today, we build multi-story houses in record time, travel on highways at speeds exceeding one hundred kilometers per hour, transport tons of cargo by air, build several kilometers long bridges spanning across sea arms, dig tunnels in mountains and beneath the sea, send humans to the moon and spacecraft to other planets, and moreover, can destroy entire cities with a single bomb. All these are possible provided we have access to vast energy sources.
Today, the per capita consumption of electrical current itself is a measure of a country's development because whatever facilitates and makes life pleasant, whatever reduces effort and work, demands the use of energy.
But what is this miraculous thing that, in the form of electrical energy, serves us in many ways, warming our houses as thermal energy, propelling our cars as mechanical energy, residing in coal as chemical energy, coursing through space at the speed of light as radiant energy, and present even in the tiniest fragment of matter as atomic energy?
How can we describe something capable of transforming itself like a genie from the Arabian Nights, fueling the car's tank with gasoline, converting into thermal energy once the engine starts, appearing as mechanical energy in the transmission shaft, and transforming further into electricity in the dynamo, radiating outward as light beams from the headlights?
What is the common, unique, and constant element in all these manifestations? What is the true essence of energy?
We have to admit we don't know. We know the various forms of energy, we can transform one into another at will, we know the effects each one produces, we can measure it, control it, direct it, and divert it without any difficulty. But we are ignorant of what energy itself is. In its mechanical form, the most apparent, we define it as 'the product of force by distance traveled.' But this is only the product of two physical quantities, not an effective definition of the essence of energy.
But we can, and indeed must, do one thing, even if it may resemble tedious school lessons: it's our obligation to precisely define what we mean by the word 'energy' to establish precisely what we are talking about.
Energy, Work, Power
The term 'energy' derives from the Greek word 'enérgeia,' which roughly means 'natural activity.' The term was first used in a modern sense nearly five hundred years ago. In physics, energy is understood as 'the capacity to do work.'
Energy = capacity to do work
But what does 'work' mean? When we drag a heavy cart along a stretch of road, we perform work, not just in the common sense of the word but also in its precise physical sense. The only difference is that the measure of physical effort depends largely on the strength of the person pulling the cart, whereas work in a physical sense is precisely defined, and follows the formula:
Work = force X distance traveled
It's important to note that the force that does work is the one moving in the direction of the movement: in our example, the force producing work is the traction exerted on the cart, not the weight of the vehicle, which is a force perpendicular to the direction of movement.
Work = force X distance
Let's say a cart weighing 1000 kilograms requires a specific force to move. This force needed to move the weight of one kilogram for a meter in the force's direction is defined as a 'kilogram-meter.' Suppose it takes eight kilogram-meters to move the cart: if the road section is one kilometer long, i.e., a thousand meters, the necessary work will be 8 x 1000 = 8000 kilogram-meters. The unit of measurement for work is the kilogram-meter (kgm).
The speed at which the road section is traveled is irrelevant and does not change the significance of the work.
There is also another significant physical quantity that considers the speed at which work is done. That quantity is 'power,' defined as 'work per second,'
Power = work/second
If it takes an hour, i.e., 3600 seconds, to travel the road, the power will be around 8000 kgm: 900 sg = 9.8 kilogram-meters per second. Therefore, the unit of measurement for power is the kilogram-meter per second (kgm/s).
The inventor of the steam engine, James Watt, introduced a unit of measurement called 'horsepower,' equivalent to 75 kgm/s (1 HP = 75 kgm per second); the decision was somewhat arbitrary because, in reality, a horse's power is about half of that. However, as this unit of power measurement allows for precise figures, it remains in use.
Therefore, a distinction is made between work (kgm) and power (kgm/s, or HP). It's important to note that, especially in everyday use, the term 'force' is often mistakenly replaced by the term 'power.' It should also be clarified that energy, as 'the capacity to perform work,' is measured, like work, in kilogram-meters.
And with this, our brief lesson ends.
The Transformation of Energy
From what has been said, it's clear that energy can alleviate the fatigue of pulling the cart. If we have a certain amount of energy and are able to apply it correctly, we can lift and transport loads, move vehicles and machines, generate heat and light when and where we want; in a word, it will guarantee us all those conveniences that make existence more pleasant.
But how to produce this miraculous force that frees us from physical effort and allows us to engage in activities other than the pure struggle for existence? What nature makes available to us is no different from what it also grants to plants and animals: the light and heat of the sun, the chemical energy contained in food, necessary for the development of vital processes.
However, everything derived from it (heat in winter, light at night, and, above all, the enormous mechanical energies that alleviate physical effort) has had to be created by humans. And this explains the stubbornness with which humans have tried to achieve perpetual motion.
The reason it is not possible to achieve it was discovered by the German physician Julius Robert Mayer, who in 1840 made a trip to the East Indies as a ship's doctor. When bleeding some sailors in a bay on the island of Java, Mayer found that venous blood, which is bluish in Europe, has a much lighter hue in the tropics, to the point of resembling arterial blood, vivid red due to its high oxygen content.
Mayer concluded that in tropical regions, the human body consumes less oxygen than in colder parts of the globe.
As is known, the body uses oxygen to obtain energy from food. A lower oxygen consumption means that the body produces less energy, and this is why little heat is required to maintain body temperature in warm regions.
From this observation, it was logical to deduce that the amount of energy existing in the world remained unchanged. And in a paper published in 1842, Mayer stated that 'available energy cannot be destroyed, nor can the way it manifests itself be changed.' An intuition that the Englishman James Prescott Joule confirmed and completed with appropriate experiments.
Energy, therefore, cannot emerge from nothingness, nor can it be annulled. Nowadays, this statement is much clearer because we know that energy can directly transform into matter. No scientist entertains illusions regarding the creation of matter from nothingness, not even through a shortcut using energy. But what happens when we, by applying the brakes, 'cancel out' the energy contained in a moving car? The term 'cancel out' is erroneous; in reality, we do not 'cancel out' the energy; instead, we simply transform it into heat, generated due to the friction between the brake pad and the inner surface of the wheel it acts upon. The amount of heat generated can be so significant that it may make the contacting parts incandescent.
Similarly, we cannot 'produce' energy in the proper sense of the term, nor can we create it, not even in power plants. These plants only undergo a transformation of energy, from one constant form in nature to another form that we can exploit for our purposes. In our times, nine-tenths of the energy obtained from the transformation of other forms of energy derive from oil and coal, substances that contain vast amounts of energy; let us specify that in this case, it is chemical energy, whose significance is measured in 'calories,' that is, the amount of heat obtained through combustion.
Usually, quantities of heat are expressed in 'kilocalories,' measurement units equivalent to a thousand calories (one calorie is the amount of heat required for a gram of distilled water, at one atmosphere of pressure, to increase its temperature from 14.5°C to 15.5°C).
One 'kilocalorie' (kcal or Cal) is the amount of heat required to raise the temperature of one kilogram of water by one degree Celsius. For instance, 1 kg of coal provides 7000 Cal; 1 kg of oil, 9000 Cal; and 1 kg of firewood, 3500 Cal. These calories represent the amounts of heat obtained from the combustion of a kilogram of each of the three mentioned substances.
Through the steam boiler and steam turbine, this energy is first transformed into mechanical energy and then, via electric generators, into electrical energy. This conversion is necessary because electricity is easily transportable to places where it is used and, with the same ease, the process can be reversed to transform it into heat, light, and mechanical energy.
The possibility of converting the various forms of energy from one to another presupposes the existence of constant proportions and relationships, that is, 'equivalences' between one form and another. These equivalence magnitudes have been established through careful research. For example, we know that one kilocalorie corresponds to 427 kilogram-meters, which in turn equate to 0.00116 kilowatt-hours (kWh), i.e., the unit of measurement for electrical energy. In the attached table above, the reader will find all these values.
We have previously mentioned the limited physical strength of man and had stated that, in other times, if one wanted to live comfortably, there was no other choice but to rely on the labor of slaves. A man can perform work in a day equal to almost a hundred thousand kilogram-meters, equivalent to 0.27 kWh. In 1968, the average energy consumption of a household in Central Europe was estimated at 4.36 kWh; therefore, to produce a similar amount of energy, the work of sixteen slaves would have been necessary. An average household today, therefore, possesses the equivalent of at least sixteen slaves, available day and night, costing very little and obedient to the slightest signal, engaged in heating, lighting, ventilation, cooking, dusting, dishwashing, etc.
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