Юрий Трифонов – Властелин механики. 7 великих законов в понятном изложении (страница 5)

Правда тут возникает один интересный вопрос… Часто обозначенные выше обстоятельства воспринимаются как те, которые мешают работать закону сохранения энергии. Это не совсем так.

Закон сохранения энергии работает всегда. Вне зависимости от того, консервативная ли у нас система и замкнутая ли она. Только вот записать тогда его в форме, привычной нам из школьного курса, уже не получится. Реальная картина будет намного сложнее. Приведенная формулировка закона сохранения механической энергии используется для упрощения ситуации.

Так, простой пример с падением срезанной с веревки гири на пол можно значительно усложнить. Гиря висела на веревке, обладала потенциальной энергией. Веревку отрезали. Потенциальная энергия должна была полностью передаться падающей гири и превратиться в кинетическую, но мы не учли, что была ещё веревка, которая тоже получила часть этой энергии. Пока гиря падала, она воздействовала на воздух и испытывала трение о воздух. Нагрелись воздух и гиря. При падении она частично сломала пол, на который, растратив на разрушение часть энергии ну и частично перешла во внутреннюю энергию.

И пусть всё это значения с приставкой микро-, но реальная картина должна учитывать каждую мелочь. Прыгающий мяч в реальности рано или поздно остановится. Всё из-за постоянных взаимодействий.

Отсюда было логично предложено упрощать подобные взаимодействия и рассматривать гипотетические консервативные и замкнутые системы.

Ну а закон сохранения при таком рассмотрении сводится к простому примеру: висела люстра и обладала потенциальной энергией. Кинетическая энергия этой люстры была равна нулю. Потом веревочку обрезали, и кинетическая энергия появилась из-за превращения потенциальной энергии люстры в кинетическую. Если записать это в виде того самого выражения, что было приведено выше, где Еп1+Ек1=Еп2+Ек2 получим что-то вида 200 Дж +0 Дж = 0 Дж +200 Дж. Кинетическая и потенциальная энергия поменялись местами.

Для решения большей части практических задач достаточно такого понимания процесса и таких знаний.

В чем измеряется энергия

Мы обсудили закон сохранения энергии и даже привели примеры, но так и не упомянули, какая у энергии единица измерения.

Поскольку энергия у нас является мерой совершения телом работы, то и измеряется она в тех же величинах, что и работа. Единицей измерения энергии в системе СИ принят Джоуль.

Но есть и другие системы измерения. Например, в системе СГС энергия измеряется в эргах. Это довольно редкая единица и скорее всего, она вам никогда и не встретится. Но знать про это полезно. Собственно, 1 эрг = 1 дин х 1 см или та же самая сила, умноженная на расстояние, или работа по-нашенски.

Вы наверняка не в курсе, что система СГС – это система единиц измерения, в которой основными единицами являются единица длины сантиметр, единица массы грамм и единица времени секунда.

Ещё в технических расчетах встречается такая единица измерения энергии как килограммометр (кгм) или килограмм силы (кгс) на метр (м): (кгсм). При этом считают, что 1кгсм=1 кгс⋅1 м=9,81 Дж.

Есть и другие варианты единицы измерения энергии, но к механике они отношения не имеют. Например, существуют калории, кВт*ч или электрон-вольты. Единица измерения никак не влияет на факт существования физического понятия или процесса и нужна только для некоторой систематизации.

Почему невозможно создать вечный двигатель

Исходя из закона сохранения механической энергии складывается ложное впечатление, что возможно создать вечный двигатель. Ведь для работы такого агрегата будет достаточным просто играться с превращениями энергии. Это вполне не сложно и может быть реализовано с помощью современных технологий.

Рис.21. Модель вечного двигателя

Скажем, скатилось какое-то тело с наклонной плоскости и, обладая инерцией, оно может заехать на другую наклонную плоскость и на ту же самую высоту. Ведь мы выяснили, что энергия передается в полном объеме исходя из закона сохранения энергии.

Делая такие правильные с точки зрения здравого смысла предположения, мы не учитываем все сложности взаимодействий, с которыми приходится столкнуться в реальности. Закон сохранения энергии тут нам вряд ли поможет. Он скорее опишет лишний раз, почему вечный двигатель создать невозможно, а перпетум мобиле останется и дальше уделом фантастов.

Несмотря на то, что энергия неограниченно превращается и передается, нам гарантированы сопутствующие потери. Потери на самые разные вещи. Энергия рассеивается, также как рассеиваются силы у человека в течение рабочего дня. Вот поехали мы на работу и пока ехали уже устали. Виновато метро или любая другая форма транспорта.

Такая же ситуация и с сохранением энергии. Представим даже тот самый пример с наклонной плоскостью. Объект съедет по наклонной плоскости, но на такую же высоту у новой наклонной плоскости уже не заедет. Ведь будут потери на трение. И это как минимум. На самом деле потерь будет гораздо больше и их аналитика займет немалое количество времени.

Вы можете сказать – ну замените тело колесом, вот оно и будет скатываться без потерь. Ведь экстремалы в параболической рампе вполне себе неплохо справляются с обозначенными задачами и кажется, что скатываясь туда-обратно, они делают это только лишь по инерции. Это совсем не так. Опять беглый взгляд на проблему. Там тоже есть потери. Как минимум, на сопротивление воздуху. Кстати, если повторить опыт в вакууме, всё равно вечного двигателя не получится. Энергия будет рассеиваться на тепловую энергию, которая появится во втулках велосипеда или скейтборда, крутящегося в этой рампе.

Выходит, что закон сохранения энергии в правильном его изложении никоим образом не приближает нас разработке вечного двигателя. Он, наоборот, рассказывает, почему такой двигатель мы никогда не сделаем. В данном случае мы расписали самые простенькие примеры, но вне зависимости от конструкции и принципа работы агрегата главный физический принцип обмануть имеющимися методиками не получится.

Самое важное про закон сохранения энергии

Мы не случайно рассмотрели закон сохранения механической энергии самым первым. Для властелина механики он один из главных законов. Ведь без энергии не будет и работы. Чем тогда властвовать и кому нужна механика без движения. Да и обманщиков хватает. Скажем, вечные двигатели многократно пытались представить как реальные установки, используя в качестве движущей силы механизмы с хомяком в колесе или карликом, который едет на велосипеде внутри бочки. Всё это быстро становится понятным, если знать основы физической теории.

Рис.22. Белка в колесе – тоже вечный двигатель

В качестве вывода выжимки отметим, что закон сохранения механической энергии учит нас главному принципу нашего материального мира. Энергия не появляется и не пропадает, а только превращается из одного вида в другой.

Записывается аналитически это как ΔЕ = 0 или изменение общей энергии системы равно нулю. Ну а энергией в физике принято называть меру совершения телом работы или «количество движения», которым обладает тело подобно сжатой пружине или летящей пуле.

Три закона Ньютона

Следующее, что нужно для понимания механики – это законы Ньютона. Можно по-разному относиться к Ньютону, его трудам и правильности всех его убеждений, но его законы самые настоящие три кита современной механики.

Рис.23. Ньютон и три кита

Без них человеку будет сложно разобраться во всём, что происходит вокруг нас и, само собой, не разобраться и в механике.

Вероятно, вы уже слышали, что к Ньютону и его достижениям существует неоднозначное отношение. Некоторые считают его родоначальником классической механики, а кто-то называет фантазером. Дальнейшая же физическая наука занимается, по их мнению, попыткой прикрывать все Ньютоновские недочеты и неточности, чтобы современная физика не обрушалась из-за отсутствия почвы под ногами.

На мой взгляд Ньютон является человеком гениальным и действительно достоин считаться основателем многих современных подходов. Причем, как к механике, так и к другим областям физики. Хотя критики, или, как их модно сегодня называть, хейтеры, всегда находятся. Многие ненавидят логику Ньютона из-за вопросов в неоднозначности описания того же земного тяготения и других фундаментальных понятий. И это далеко не единственный пример.

Поспорить с обстоятельностью законов Ньютона сложно. Ведь есть результаты лабораторных измерений, и любая критика после этого становится не особенно актуальной. Да и большая часть механических устройств, которые сегодня нас окружают, используют Ньютоновские законы в своем функционировании. Отсюда считаю рациональным не отрицать сами закономерности, которые многократно подтверждены и используются, а называть все разногласия «вопросами терминологии и глубины познания». Да, предположим где-то есть пространства и миры, где законы Ньютона не работают, но в нашей среде они работают всегда. Правда лучше говорить «практически всегда».

Вероятно понятие той же самой инертности действительно истолковывается современной физикой неправильно, однако закон работает. Как уже что называется после этого не столь важно. Это как древние люди когда-то использовали метод трения для получения огня без глубокого вникания в суть процесса. Если невозможно объяснить эффект, это не значит, что он отсутствует.