Юрий Трифонов – Властелин механики. 7 великих законов в понятном изложении (страница 3)

Для того, чтобы хорошо ориентироваться в законах физики, нужно научиться видеть их в мире. В случае с механикой это гораздо проще, чем с другими разделами физики. Запомните, чему учит закон, а потом обнаружьте его в природе. Сможете сделать наоборот – встанете в один ряд с Архимедом и Ньютоном.

Но что-то мы отвлеклись от темы. Это было лирическое отступление. Мне кажется так гораздо интереснее что-то изучать, поглощая при этом и другие сопутствующие мысли. В книге и дальше повествование будет строиться таким образом. Так вот…

Закон сохранения энергии можно наблюдать при срабатывании тормозов автомобиля. Колодки нажимают на диск, диск начинает замедляться, а колодки нагреваются. Так энергия движения автомобиля частично передалась колодкам. Механическая энергия превратилась в тепловую. Тепловая энергия в колодках тоже не останется без дела. Она частично превратится во внутреннюю энергию. Кстати, внутренняя энергия тела – это энергия, которой обладают частички тела, входящие в его структуру. Ведь они перемещаются или колеблются, а для этого нужна энергия. Внутренняя энергия тормозных колодок и дисков, в свою очередь, израсходуется на расширение тела.

Подобный пример можно наблюдать при забивании гвоздя. Мы стучим молотком по шляпке гвоздя, а сам гвоздь при этом нагревается. Вновь кинетическая энергия удара молотка превращается во внутреннюю энергию структуры гвоздя, что и приводит к увеличению его температуры.

Рис.11. Превращение энергии при ударе шляпки гвоздя

Закон сохранения энергии легко увидеть в различных процессах, связанных «с перемещениями уровней высоты». Например, если велосипедист пытается заехать на высокую горку, то поднявшись на её вершину, он наберет достаточное количество потенциальной энергии, чтобы скатиться вниз без кручения педалей.

Следующий классический пример – лук со стрелами. Там потенциальная энергия, накопленная в результате деформации лука, передается стреле посредством тетивы. Сама же стрела растрачивает эту энергию на передачу тепла воздуху из-за трения о его частички и поражение цели.

При сжатии пружины кинетическая энергия воздействия переходит в потенциальную энергию сжатой пружины. Вот вам очередное превращение.

Подобным образом можно рассмотреть абсолютно любой процесс, происходящий вокруг нас и увидеть работу закона сохранения. Правда помните, что смотреть следует очень внимательно!

Что такое энергия в физике

Сохранение – это конечно хорошо! Но давайте зададим себе вопрос: понимаем ли мы что такое энергия? Что мы в итоге сохраняем? Скорее всего нет. Положительный ответ будет означать неполное знакомство с рассматриваемым вопросом.

Современная физика не способна на него ответить полностью. Слишком много заковырок и противоречий. Самое значимое из них – что именно в пространстве является носителем энергии? Это атом или молекула? А как тогда быть с процессами, где не участвует как таковое вещество? Там энергии нет, потому что её негде сохранить? Как дела с тепловой энергией? Вопросов очень много, а ответов очень мало. Именно поэтому пока стоит отстраниться от поиска правильного ответа и обратиться к существующему определению. Тем более, что для нас сейчас наибольший интерес представляет механическая энергия и воспринимаем мы её только как некоторую величину.

Стандартное определение понятия в физике, всё же, существует. Им и будем пользоваться для дальнейшего объяснения. Более глубокие мысли хоть и интересны, но уже выходят за границы раздела механики и к ним мы вернемся в других работах.

Энергия – скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. С древнегреческого языка оно переводится как действие.

Если опустить ряд сложностей, которые не особенно и нужны для понимания применительно к механическим процессам, то всё равно разобраться будет не так-то просто. Перечитав это определение несколько раз, вы вероятно так и не поймете, о чем там написано. Давайте разобьем стандартное определение на фрагменты, а после этого запишем его в более понятной и простой форме.

Скалярная – означает не имеющая направления. Про это поговорили в самом начале книги. Но давайте закрепим на будущее. Это величины, как масса тела или атмосферное давление. Они просто есть и не связаны с движением. Для сравнения – скорость величина векторная, имеет направление. Чувствуете разницу между скоростью и массой? Вот именно такая разница и между векторными и скалярными величинами.

Следующая часть определения говорит, что мы имеем дело с некоторой мерой взаимодействия тел. Причем, применительно к любым видам взаимодействия. Но нас сейчас интересует механика. И тут уместно назвать это именно что «мерой взаимодействия».

Представьте, что вы поддали мячик ногой. Вы передали мячику что-то и это что-то потом начало оказывать воздействие разных типов. Что-то и есть энергия. Или «движение» если обратиться к переводу слова. Его иначе не назовешь. Вот и придумали фразу про меру воздействия, добавив её в определение энергии.

Ещё можно представить камень, который падает кому-то на голову с крыши. Сразу вспоминается великолепный эпизод из фильма «Один дома 2», где Кевин кидается кирпичами в Марва. Вот летящий камень обладает чем-то, что он потом передаст голове нашего отрицательного героя. Это что-то и есть энергия. Или вновь подойдет слово движение. Почему мы так размыто разъясняемся? Наверное потому, что даже механическую энергию, которая наиболее проста для восприятия, пока всё ещё не могут описать в полной мере и дать однозначное определение понятия.

Но для наших целей достаточно указанного выше определения. В целом-то, воспринимать слово механическая энергия, как слово «движение» вполне допустимо. Будут проблемы с представлением потенциальной энергии сжатой пружины, но там мы скажем, что сжатая пружина запасла некоторое количество движения и опять логику передадим.

Закон сохранения энергии в кино и философии

Закон сохранения энергии описывается разными словами и носит разные имена. Интересно отметить, что логика сохранения энергии пронизывает многие философские книги и даже современные фильмы.

Например, в фильме «Звёздные войны» присутствует такая характеристика, как сила. Силой там именуется некоторая субстанция, которую можно использовать как во благо, так и во вред. Но сама по себе сила нейтральна.

Очень легко провести параллели между силой в этом фильме и энергией в нашей жизни. Ведь по философским представлениям, да и по физическим законам, появившимся чуть позже, энергия во вселенной не появляется и не пропадает, а просто превращается из одной формы в другую форму. Аналогично этому представлению, герои Звездных войн как раз-таки и использовали силу, которая не появлялась и не пропадала, а только передавалась от одного объекта другому.

Подобный процесс передачи энергии или силы демонстрировался в некогда популярном фильме «Горец». Когда бессмертному отрубали голову его энергия передавалась победителю в виде разряда молнии.

Рис.12. Молния передает нечто, что мы называем энергия

В философии понятие «энергия» встречается очень часто и только ленивый не попробовал как-то объяснить происходящее. Античные философы описывали энергию как нечто, способное совершать работу и имеющее внутри себя силы. Примерно так описывал это Аристотель.

Фома Аквинский характеризовал энергию как акт чего-либо. Обеспечение процесса живительным действием.

Ну а «божественные теории» относительно термина энергия встречаются в философии регулярно.

Так, сила, которой обладают боги, тоже подходит под определение энергии. Люди могли обратиться к богам и попросить у них эту силу, а сила передавалась и превращалась бы в другие формы деятельности. Например, в случае языческих представлений, она переходила в рост урожая или приводила к появлению дождей.

Сколько убыло столько и прибыло

Физика выделяет разные виды энергии. Они могут неограниченно превращаться из одного вида в другой. Если в одном процессе энергия израсходована, то в другом смежном процессе её гарантированно стало больше. Но об этом чуть позже. Сейчас же запомним, что энергии характерны превращения из одного вида в другой.

Ударьте рукой по столу. А теперь проанализируйте, куда именно была израсходована энергия удара и как она превращалась из одной формы в другую.

Рис.13. Превращение энергии при ударе рукой по столу

Понятие превращения энергии одно из самых важных в физике. Причем, вне зависимости от раздела. Понятно, что нам сейчас интересна механика, но все принципы работают и в других сферах.

Энергии свойственно переходить из одной формы в другую. Относительно механики выделяют два основных типа энергии. Есть ещё третий, который относится к другому разделу физики из-за своей природы, но на механические процессы также оказывает влияние.

Виды энергии применительно к механике

В механике обычно выделяют два основных вида энергии. Это кинетическая и потенциальная энергии. Есть ещё внутренняя энергия. Это тот самый третий вид, про который мы упомянули. Она тоже частенько трётся где-то рядом, но к механической энергии как такового отношения не имеет.