Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 10. Вывод закон сохранения импульса
Итак, вот постепенно мы добрались и до понятия энергии. Надо сказать, что энергия – это весьма интересная штука. Вот такое определение дает на википедия: «Энергия — действие, деятельность, сила, мощь) — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие». Согласитесь, не очень понятно. Еще более странно, что существует какой-то закон сохранения энергии, согласно которому, энергия не исчезает бесследно и не появился из ниоткуда. По научному он звучит так: «Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени».
На самом деле, этот сохранения энергии выполнялся только для замкнутой системы. Этот как закон сохранения импульса (см. прошлый урок), выводиться аналогично.
Энергия бывают многих разных видов. Разберем некоторые из них.
Кинетическая энергия. Это энергия движущегося тела. Она пропорциональна массе и квадрату скорости, и именно:
В этой формуле E – это энергия, m – масса тела, v – его скорость.
Почему формула именно такая? Дело в том, что кинетическая энергия – эта работа, которую совершит сила, перемещая тело заданной массы на заданное расстояние. Эта работа измеряется в Н*м (Ньютонах на метр). Другое название данной единицы – Джоуль (Дж). Но как связаны расстояние, сила, масса и скорость? Согласно второму закону Ньютона, силы равна произведению массы на ускорение. А пройдённое расстояние равноускоренного тела вычисляется по формуле:
Помните в уроке Физика для чайников. Урок 4. Прямолинейное движение я говорил, что это важная формула? Не правда, ли, формула кинетической энергии похожа на нее? Напомню, что здесь S – пройденное расстояние, a – ускорение, t – время.
А теперь в определении энергии как силы на единицу длины и выполним подстановку:
Здесь F – это сила, v/t – это ускорение (изменение скорости за единицу времени).
Потенциальная энергия. Предположим, Сизиф поднял камень, массой 1 тонна на высоту 1 километр. Когда он толкал камень в гору, он совершал работу. Тратил энергию. Но камень остался неподвижный. Вопрос: куда делась эта энергия? По закону сохранения энергии она же не могла бесследно исчезнуть? И она не исчезла. А превратилась в потенциальную энергию. Чем равна потенциальная энергия? А она равна работе силы тяжести (точнее, работе против силы тяжести):
где h – высота, на которую поднято тело, g – ускорение свободного падения, примерно 9.8 м/с^2, ну а m - масса тела.
В нашем примере Сизиф поднял камень массой 1 тонну на высотку 1 километр, значит, его потенциальная энергия равна
Если камень вдруг скатиться с горы, то его потенциальная энергия превратиться в кинетическую, и горе тому, кого он сшибет.
Тепловая энергия. До сих пор мы рассматривали идеальные случаи (сферического коня в вакууме, так сказать). Но в реальном мире существует сила трения. Вот едет автомобиль, за счет работы двигателя к нему приложена сила, которая двигает его вперед. Но почему при этом скорость автомобиля остается после разгона одинаковой? Почему автомобиль не может разгонятся вечно? Все дело в том, что на него действует сила трения. С одной стороны, работа двигателя толкает автомобиль вперед, с другой стороны тормозит сила терния. Они друг друга уравновешивают, и потому, согласно первому закону Ньютона, автомобиль продолжает движение с одной и той же скоростью.
Но тут получается, что сила, с которой двигатель двигает автомобиль, совершает работу, с затратой энергии. А куда девается эта энергия? Она уходит в тепловую энергию. Если вы будете интенсивно тереть друг о друга две деревяшки, то они нагреться. И могут даже загореться. В древние времена именно так и добывали огонь.
Существует и обратное преобразование: тепловая энергия в кинетическую. Например, нагретый пар толкает поршень, который вращает колесо (паровой двигатель).
Другие виды энергии. Кроме кинетической, тепловой и потенциальной, существует еще множество других видов энергии. Например, электрическая, химическая, ядерная. Вообще, парадоксально, но факт, материя может превращаться в энергию и энергия в материю. Это зафиксировано в знаменитой формуле Эйнштейна:
Здесь m – масса, c – скорость света, примерно 300 миллионов метров в секунду (300 тыс. км/с). Но в расчета используются именно метры в секунду. Это значит, что в одном килограмме вещества запасено 9*10^16 (90 тыс. триллионов) Джоулей энергии. Для сравнения, энергия взрыва атомной бомбы порядка 2 *10^14 Дж, почти в четыреста раз меньше.
Подытожим. Мы познакомились с понятием энергии. Возможно, вы все еще не совсем поняли, что это такое. Не страшно, даже сами физики толком не знают, а что же такое энергия. Поэтому, просто примите как факт, что энергия – это такая неведомая фигня, которая описывается формулами и которая подчиняется закону сохранения энергии. Но если сказать простыми словами, очень утрированно, то энергия – это способность совершать полезную работу. И еще, немаловажно: халявной энергии не бывает и вечный двигатель невозможен.
В будущих уроках (когда мы будем изучать термодинамику), вы познакомитесь с энергией поближе.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 12. Термодинамика