Введение
Актуальность темы состоит в том, что человечество давно пользуется термином «энергия» но до сих пор отсутствует чёткое однозначное физическое определение данного термина, раскрывающее суть энергии.
Большинство современных определений физических величин указывают на математическое содержание (скаляр, вектор), ничуть не раскрывая физической сущности определяемой физической величины. Это полностью относится и к определению понятия «энергия».
Целью данной статьи является раскрыть физическую суть понятия энергия, дать физически точное определение термина энергия. Приведённое в википедии определение [1], ничуть не раскрывает физической сути энергии и является по сути как раз математическим, а не физическим. Вот оно:
Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
Ничего о физической сущности энергии, о том, чьим свойством она является, в чём выражается. Совершенно аналогично обстоит и с определениями кинетической [2] и потенциальной [3] формами энергии.
Так что же такое энергия
Вот какое определение точно и однозначно определяет физическую суть энергии, как измеримого свойства материальной системы, связанного с обменом или созданием движения:
Энергия — это производная физическая величина (ФВ), свойство материальной системы обмениваться движением (= кинетическая), или создавать движение (= потенциальная).
Из этого определения следует, что энергия делится на два базовых вида: кинетическую энергию движения и потенциальную энергию связи. Все остальные виды энергии представляют собой лишь различные комбинации этих двух базовых видов энергии. Так, тепловая энергия есть сумма потенциальной и кинетической энергии хаотического взаимодействия атомов/молекул веществ, образующих тела, жидкости, газы и плазму. А атомная энергия есть потенциальная энергия связи элементарных частиц, образующих атомные ядра.
Из этого определения также следует, что никакому изолированному телу нельзя приписать никакой энергии (кроме тепловой), ибо энергия может быть свойством только материальной системы взаимодействующих тел, т. е. энергия выделяется и проявляется только при взаимодействии. Поэтому, никакой ускоренной частице нельзя приписывать никакую энергию, пока она не встретится с мишенью и не вступит с ней во взаимодействие.
Вот ещё наглядные иллюстрации, доказывающие это определение:
Энергия, выделяющаяся во встречном и попутном столкновениях автомобилей, очевидно зависит не от их индивидуальных скоростей, а от их взаимной скорости сближения, которая является характеристикой именно системы, а не входящих систему тел. Ещё нагляднее это видно при причаливании транспортного корабля к космической станции, при огромной их скорости относительно Земли, которая однако никак не участвует в этом их взаимодействии.
Но, кинетическая энергия взаимодействия зависит не только от взаимной скорости, но и от масс взаимодействующих тел — массивное тело не может отдать всё своё движение лёгкому и после столкновения продолжает двигаться в прежнем направлении с меньшей скоростью, а лёгкое, после столкновения с более массивным, отскакивает от него с меньшей скоростью, но часть своего движения сохраняет. И лишь при лобовом упругом столкновении тел равной массы ранее двигавшееся тело останавливается, полностью отдав своё движение другому телу. При абсолютно неупругом столкновении, тела соединяются, и система тел исчезает, но в этом случае происходит преобразование существенной части энергии движения в тепловую энергию хаотического движения частиц, образующих это тело.
С потенциальной энергией ситуация аналогичная: камень, поднятый на высоту 1 метр с крыши 9-ти этажного дома, падая на землю, создаст количество движения значительно большее, чем затраченное на его подъём с крыши, потому что изменилась система взаимодействующих тел.
Таким образом, эти примеры доказывают, что энергия есть свойство именно материальной системы, и не может быть приписана никакому изолированному неделимому телу, только тепловая энергия может принадлежать изолированному, но делимому телу, ибо она есть энергия хаотического движения частиц, это тело образующих, т. е. для тепловой энергии любое макроскопическое тело есть система множества взаимодействующих микроскопических частиц. Следствием всего выше изложенного является проявление откровенной ложность «эквивалентности» массы и энергии. Энергия, как только что доказано, есть свойство материальной системы, а масса — это количественное свойство и мера материи, и при том же, что масса — основная, и потому инвариантная ФВ, отражающая свойство непосредственно самой материи, а энергия — производная ФВ, отражающая свойства не самой материи, а материальной системы. Таким образом, эти две физические величины характеризуют совершенно разные свойства материи, и потому ни о какой их «эквивалентности не может быть и речи.
Поскольку энергия есть свойство материальной системы, а не одиночного тела, то в случае взаимодействия двух движущихся тел произвольной массы, максимальная кинетическая энергия их взаимодействия определяется формулой, включающей участие обоих взаимодействующих тел :
Ek = (m1*m2/(m1+m2))*v²/2,
где v – это взаимная скорость сближения взаимодействующих тел, а (m1*m2/(m1+m2)) - это т. н. «приведённая масса»[2], определяющая неизменность состояния движения ЦМ системы при её внутренних взаимодействиях, в соответствии со Следствием 4 из ньютоновских законов движения материи. Как видно из этой формулы, энергия взаимодействия двух тел неравной массы определяется телом меньшей массы, ибо приведённая масса всегда меньше меньшего из двух взаимодействующих тел. Из этой формулы видно, что встреча автомобиля с воробьём, при любой взаимной скорости, может закончиться не более чем разбитым лобовым стеклом — энергия этого взаимодействия ограничена массой воробья. И именно поэтому, энергия взаимодействия встречных пучков ускоренных частиц вчетверо больше, чем энергия взаимодействия с неподвижной мишенью, ибо взаимная скорость вдвое больше, а энергия кинетического взаимодействия пропорциональна квадрату взаимной скорости.
А что же тогда определяет общеизвестная формула кинетической энергии: Ek = mv²/2. Она определяет максимальную энергию, которая может выделиться при полной остановке движущегося тела в данной материальной системе, а это возможно только, когда масса этой материальной системы много больше массы движущегося тела, что чаще всего и встречается в нашей обыденной жизни, когда рассматриваемая система включает в себя земной шар, масса которого много больше любых движущихся вокруг нас тел. И полная формула кинетической энергии взаимодействия двух тел так же даёт только максимальную энергию взаимодействия, при центральном ударе, когда вектор взаимной скорости направлен по линии, соединяющей центры масс взаимодействующих тел.При косом ударе, и при ударе не абсолютно упругом, эта энергия будет меньше.
В электродинамике энергия так же подразделяются на кинетическую и потенциальный виды. Кинетическая - энергия движения электричества, определяемая свойством инерции движения материи, выражается формулой: Ek = LI²/2, где L –индуктивность, мера инерции движения электричества, в отличие от массы, как меры инерции механического движения вещества, а I –это электрический ток, т.е. количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени. Потенциальная электрическая энергия представляет собой энергию поляризации диэлектрической среды, т.е. энергию электрического поля, которая накапливается например в конденсаторе, и выражается формулой: Ep = QU²/2, где Q – заряд конденсатора, U –электродвижущая сила между выводами конденсатора.
Энергия, как способность материальной системы обмениваться или создавать движение, всегда может преобразовываться из одного вида в другой и обратно: из кинетической в потенциальную, например в маятнике или колебательном контуре, и из механической в электрическую, например в электрогенераторе или электродвигателе.
Выводы
Точным физическим определением понятия энергия, как измеримого свойства материальной системы, является:
Энергия — это производная физическая величина (ФВ), свойство материальной системы обмениваться движением (= кинетическая), или создавать движение (= потенциальная).
Следствием такого определения энергии является понимание ложности представления об «эквивалентности» массы и энергии, которые являются совершенно разными физическими величинами, относящимися к совершенно разным материальным объектам: масса — индивидуальное свойство любого вещественного тела, а энергия — коллективное свойство материальной системы.
1. Энергия [Электронный ресурс] // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Энергия (дата обращения 21.01.2025).
2. Кинетическая энергия [Электронный ресурс] // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Кинетическая_энергия (дата обращения 02.02.2025).
3. Потенциальная энергия [Электронный ресурс] // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Потенциальная_энергия (дата обращения 02.02.2025)
4. Приведённая масса [Электронный ресурс] // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Приведённая_масса (дата обращения 21.01.2025).