Behoudswet

Een van die mees fundamentele eienskappe van materie is die behoud van 'n sekere aantal eienskappe. Aan die einde van die 18e eeu het die skeikundige Antoine Lavoisier ontdek dat massa nie vernietig of geskep kan word nie. In die 19e eeu is die eerste wet van die termodinamika oor die behoud van energie geformuleer. Analoog hieraan is die wet van die behoud van meganiese energie in die meganika. Die behoudswette van die klassieke meganika kan met sekere korreksies ook toegepas word in vertakkinge van die moderne fisika, byvoorbeeld die relatiwiteitsteorie, die kwantummeganika en die elementêre deeltjieteorie.

Namate die wetenskap gevorder het, het wetenskaplikes beset dat sekere fisiese groothede nie net kan verdwyn nie. Intuïtief voel 'n mens dat dit baie logies klink, maar die wetenskap moes ver vorder om dit te kon bewys. In die 18e eeu het Lavoisier die stowwe wat aan chemiese reaksies deelneem, voor en na die reaksie noukeurig geweeg en tot die gevolgtrekking gekom dat die materie nie verlore gaan nie. Dit het aanleiding gegee tot die wet van behoud van materie. Hierdie wette het nie tot materie beperk gebly nie. Later is die wet van behoud van momentum geformuleer.

Die momentum van 'n bewegende liggaam word gedefinieer as die massa vermenigvuldig met die snelheid waarteen dit beweeg. Hieruit volg dat as 'n volmaak elastiese bal teen 'n harde muur gegooi word, dit teen dieselfde snelheid van die muur sal wegspring as die snelheid waarteen dit die muur getref het. Iemand sal dadelik die opmerking maak dat daar nie so iets soos " 'n volmaak elastiese bal" bestaan nie. Tog is daar deeltjies wat as "volmaak elasties" beskou kan word - atome en molekules van gasse, byvoorbeeld.

Die wet van behoud van momentum geld net as daar geen eksterne krag op die bewegende massa inwerk nie. ʼn Tipiese voorbeeld van so 'n eksterne krag is wrywingskrag. Saam met hierdie wet kry ons die wet van behoud van hoekmomentum. As 'n liggaam in 'n sirkel beweeg, is die hoekmomentum gelyk aan die momentum vermenigvuldig met die straal van die sirkel. Die volgende vraag wat ontstaan, is: waar sien ʼn mens dit in die natuur?

Die sonnestelsel kan beskou word as 'n stelsel waarop geen eksterne kragte inwerk nie. Die aarde beweeg al baie miljoene jare om die son en behou sy momentum en hoekmomentum. Die behoudswette wat tot dusver bespreek is, is van toepassing op deeltjies of materie. Daar is egter in die termodinamika ook behoudswette wat intuïtief nie so duidelik is nie. Daar is byvoorbeeld vasgestel dat warmte iets is wat nie 'n behoudswet gehoorsaam nie. Tydens 'n termodinamiese proses kan warmte verdwyn sander dat dit weggelei word. Die behoudswet wat hier van toepassing is, lui dat warmte plus arbeid behoue bly.

Hierdie wet dui aan dat die meganiese energie in 'n stelsel nie tot niet sal gaan as geen eksterne kragte daarop inwerk nie. Die meganiese energie is die som van die bewegingsenergie en die potensiële energie. Die bewegingsenergie is presies wat die naam se dit is. Dit kos 'n sekere hoeveelheid energie om 'n voorwerp aan die beweeg te kry. Die energie wat bygevoeg word, word nou in bewegingsenergie omgesit.

Daar bestaan dus ʼn verband tussen bewegingsenergie en momentum. Bewegingsenergie, wat ook kinetiese energie genoem word, word gedefinieer as die helfte van die massa vermenigvuldig met die kwadraat van die snelheid. Die potensiële energie van 'n liggaam in joule word gedefinieer as die gewig van die liggaam in newton vermenigvuldig met die hoogte daarvan bokant die grond in meter.

Meganiese energie is potensiële energie + kinetiese energie, en volgens die wet van behoud van meganiese energie sal hierdie twee saam altyd 'n konstante wees (as die een verminder, sal die ander een meer word), soos wanneer 'n bal vertikaal die lug ingegooi word. Namate dit styg, neem die potensiële energie toe, maar terselfdertyd trek die bal stadiger en die kinetiese energie neem af. Wanneer dit die hoogste punt bereik het, gaan staan dit vir ʼn oomblik stil in die lug.

Dan besit dit slegs potensiële energie. As dit nou begin terugval, verminder die potensiële energie, terwyl die kinetiese energie toeneem. Energie is die vermoë om arbeid te verrig. Byvoorbeeld, 'n groot rots wat op die rand van 'n krans lê, kan verwoesting saai as dit daar sou afrol. Bo-op die krans het dit baie potensiële energie wat baie destruktiewe "arbeid" kan verrig as die rots momentum begin kry. Daar is dus 'n wisselwerking tussen verskillende vorme van energie.

Baie vorme van energie kan ook in warmte omgesit word. 'n Koeël wat 'n harde oppervlak tref, kom in ʼn baie kort tydjie tot stilstand. Wat het dan van die energie daarvan geword? 'n Deel van die energie is gebruik om 'n gat in die muur te ruk, ʼn deel is in warmte omgesit en nog ʼn deel is gebruik om die stukkie lood plat te slaan. In 'n stoomenjin word die potensiële energie in die hout of steenkool in warmte omgesit, wat weer kinetiese energie tot gevolg kan hê.

Die water in 'n kraan het potensiële energie in die vorm van druk; as die kraan oopgedraai word, verminder die druk en gevolglik ook die potensiële energie. Die potensiële energie word dan in kinetiese energie omgesit en die water begin loop. Deur arbeid te verrig, kan ʼn veer uitgetrek en potensiële energie sodoende in die styfgespanne veer bygevoeg word. So 'n veer kan ook gebruik word om 'n horlosie aan te dryf, en dan word die potensiële energie in kinetiese energie omgesit.

Die verband tussen energie, arbeid en momentum behoort nou duidelik te wees en 'n paar praktiese gevolge daarvan kan nou bespreek word. Deur 'n biljartbal met die stok te stamp, word kinetiese energie aan die bal oorgedra. As dit nou ʼn ander bal suiwer tref, sal die bewegende bal tot stilstand kom en sal die ander bal teen dieselfde snelheid in dieselfde rigting begin beweeg, mits die energieverlies nul is. Energieverliese kan ontstaan as gevolg van die wrywing op die tafel en by die klapgeluid wanneer die balle bots (klank is ook 'n vorm van energie).

Hierdie effekte is egter minimaal en vir berekeningdoeleindes kan hulle weggelaat word sonder om veel afbreuk te doen aan die akkuraatheid van die antwoord. Wanneer die balle mekaar met ʼn hoek tref, geld dieselfde wette nog, maar die bewegings raak effens meer kompleks. Dit blyk dus dat die term "behoud van iets" slegs beteken dat daardie "iets" altyd konstant bly, en as daar -  die "iets" uit verskillende dinge saamgestel is, sal die totale som daarvan nog konstant bly, ten spyte daarvan dat die komponente waaruit dit bestaan, verander.

In die moderne fisika kan hierdie wette nog steeds toegepas word met sekere "verfynings". Byvoorbeeld, in die klassieke meganika (en in die alledaagse lewe) word die massa van 'n voorwerp beskou as die sogenaamde rusmassa. Dit is die massa wat dit sal hê wanneer dit stilstaande is. Die teorie van spesiale relatiwiteit lei egter dat die massa van 'n voorwerp nie altyd dieselfde is nie, maar dat dit met snelheid toeneem.

Vir die meeste praktiese doeleindes is die toename in massa weglaatbaar klein, maar wanneer die snelheid van 'n deeltjie naby ligsnelheid kom, raak dit ʼn ernstige saak en moet dit in berekening gebring word. Voorbeelde hiervan is wanneer kerndeeltjies soos elektrone en protone tot baie hoë snelhede in 'n versneller of siklotron versnel word.

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409435, volume 2, bl. 222 - 224.