Сегодня философия существует обособленно от наук естественных. При этом было бы несправедливо называть ее неестественной. Как и физика, она стремится к познанию и объяснению Вселенной. Эти стремления порождают множество абстрактных понятий, которые остаются загадкой. Нет источника – нет и понимания. Не находя знания, но вдохновляясь увиденным, философы упорно придумывают объяснения. Порой они настолько увлекаются фантазированием, что их учения оказываются умозрительными и противоестественными. Это не мешает надуманным теориям проникать в сознание человека, убеждать в уникальности дарованных ему метафизических благ, обожествлять, принижать, мучить, формировать представления о естественном и извращенном, нужном и должном, свободном и запретном, уважении и презрении, любви и ненависти, разуме, силе, успехе, счастье.
Физика наблюдательна и умеет выявлять закономерности и правила. Она предлагает определения тем же понятиям, которые использует философия. Возможно, они ничего не объясняют и не проясняют замутненное сознание, но противопоставляемая философской науке легкость, с которой физические законы отвечают на вечные вопросы бытия, очень привлекательна.
Свобода и равновесие
Придуманы правила внутренние и внешние. Тех, кто им не подчиняется, называют свободными, сумасшедшими, преступниками.
Но есть состояние, которое знает каждый – свободный и несвободный, разумный и безумный, праведник и злодей. Его называют мучением, болью, страданием.
Физическое рождение – первое страдание, духовное - все последующие.
Человек стремится к вечному блаженству – трудно считать мучение его естественным выбором. Согласиться на страдания или освободиться – поддаться силе, приносящей боль, или использовать другую – противодействующую ей силу? Едва ли можно осознанно выбрать между двумя неизвестными. Сила не предлагает выбор, она двигает.
Узнавший страдания заметен. Его взгляд, движения, мысли, чувства отличны. В них читается знание чего-то тайного, сокровенного, неизвестного другим. Страдающий заставляет стыдиться, бояться, бежать, сочувствовать, думать, уважать, любить, сострадать.
Страдание похоже на принудительную терапию. Если она подобрана верно, результатом мучений должен явиться свет. И тогда страдавшего назовут мучеником, то есть просветленным. Может быть, это и есть путь сотворения.
Говоря об управлении телом и духом, философ признает их объектами – определяет пассивность - противопоставляет субъекту.
Физик не изучает душу, но оперирует понятием тела. Это тело тоже является объектом, на которое воздействует внешняя сила.
О свободе выбора телу неизвестно. В зависимости от положения равновесия - ландшафта, в котором оно обитает, и сил - сопровождающих и встречных, судьба тела предопределяется по-разному.
Находясь на дне ямы, тело может совершенно безрезультатно подвергаться внешнему воздействию, если это воздействие не является достаточно сильным – в этом случае равновесие тела устойчиво - выталкиваемое из ямы, оно неизменно возвращается в исходное положение.
Нахождение тела на плоской равнине обеспечивает ему тихое существование при относительно слабом воздействии внешней силы, то есть равнодушное равновесие.
Самый трагический вид равновесия - неустойчивое. Вдруг тело оказывается на вершине. Оно любуется восходом солнца, а в этот момент на него воздействует довольно слабая сила. Но этой силы оказывается достаточно для нарушения равновесия тела. Сброшенное вниз, оно уже не вернется на вершину, а будет еще больше отклоняться от положения равновесия.
Если сумма всех внешних сил, приложенных к телу, равна нулю, то тело находится в состоянии покоя или совершает равномерное прямолинейное движение. Но существование тела исключает покой так же, как прекращение жизни исключает движение.
Некоторым телам удалось получить комфортное и надежное равновесие - на опоре. У тела, ставшего опорой, нелегкое предназначение – поддерживать. При этом оно не лишено способности реагировать. Сила реакции опоры направлена в сторону тела и равна силе, действующей на нее. Другими словами, реакция опоры равна противодействующей силе.
Равновесное положение может оказаться непостоянным, тогда потерянное равновесие сменяется новым. Наиболее удачливыми являются тела, которым силы позволяют взобраться на вершину и занять взаимное по отношению друг к другу положение опоры.
Для твердых тел положение равновесия – это не только характеристика внешней действительности, но и внутренней. Беспорядочные колебания молекул твердого тела тоже подчиняются заданному порядку – они совершаются около фиксированных центров – положений равновесия. Эти центры могут быть расположены в пространстве упорядоченно или нерегулярно.
В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу движения. Они не привязаны к положениям равновесия и могут растекаться по всему объему. Близко расположенные молекулы жидкости также могут создавать локальную группу. В закрытом пространстве могут возникнуть условия для динамического равновесия жидкости и ее пара. Это означает, что скорости процессов испарения и конденсации одинаковы - число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, всегда насыщен.
Самыми свободными являются молекулы газа – расстояния между ними обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы и каждая молекула движется прямо навстречу неизбежному столкновению. Благодаря слабому взаимодействию молекулы газа могут позволить себе жить с размахом.
Поскольку молекулы находятся в тепловом движении, тела могут обмениваться теплом друг с другом. Отсутствие теплопередачи при контакте и неизменность макроскопических параметров означают, что тела нашли тепловое равновесие. Если термодинамическая система подвергнется вешнему воздействию, тела перейдут в другое равновесное состояние. При медленном переходе тела в каждый момент времени будут оказываться близко к равновесному состоянию.
Инертность
Тело способно сохранять скорость неизменной. Это свойство называют инерцией. Правда, необходимы три условия сохранения инерции:
- тело должно быть твердым,
- двигаться поступательно, то есть прямая, связывающая две его точки, должна быть параллельна прямой, связывавшей те же его точки в любой предыдущий момент времени,
- быть полностью изолировано от других тел, в том числе от Земли, поскольку она вращается вокруг своей оси, то есть всегда находится в состоянии движения, чем оказывает влияние на скорость расположенного на ней тела.
- Существуют ли на Земле условия сохранения инерции?
- Вопрос риторический.
Покой телу только снится, но оно может в большей или меньшей степени сопротивляться изменению своей скорости при воздействии на него внешних сил. Эту способность называют инертностью. Инертность тела всегда относительна, то есть она может быть большей или меньшей относительно инертности другого тела. От чего это зависит? – от массы сравниваемых тел. Произвольной силе, одинаково воздействующей на два тела, удается быстрее ускорить то тело, которое легче на подъем. Второе тело – тяжелое и малоподвижное – считается более инертным по отношению к первому.
Вывод о степени инертности не может быть сделан раз и навсегда. Он справедлив лишь на момент, когда массы сравниваемых тел постоянны, а сила, воздействующая на них, одинакова.
Подобная ситуация кажется искусственной, ведь мир разнообразен и переменчив.
Причиной изменения скорости тела является не любовь к высоким или малым скоростям, а сила воздействия на него.
Тела постоянно взаимодействуют друг с другом. Последствием для всех, участвующих в этом процессе, является ускорение. Воздействие бывает целенаправленным или случайным. В зависимости от массивности тела и степени силы, которая движет телом, оно может сметать на своем пути маленькие и слабые тела или наоборот – получить отпор от более могущественного тела и улететь в противоположную сторону с ускорением, обратно пропорциональным массе.
Последний вариант взаимодействия представляется проигрышным для целеустремленного тела. Однако его новое незапланированное местоположение может быть вполне удачным.
В чем заключается сила? Источники разные, важна ее степень. Сила внешнего воздействия увеличивается при объединении многих сил, если они действуют согласованно на одно избранное тело. Но и наделение массивного тела большой силой не гарантирует успешное движение. Что касается внутренних сил – они не помогают в развитии скорости, поскольку их сумма равна нулю.
Притяжение
В результате каких сил телам приходится взаимодействовать между собой? Установлена догма: тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
И даже тела, сомневающиеся в разумности данного закона, вынуждены испытывать на себе силу тяжести, подчиняться ускорению свободного падения, нести бремя собственного веса и терпеть силу реакции от тех, кого считают своей опорой.
Благодаря подаренной массе, тело произвольно притягивается к первому попавшемуся на его пути незнакомцу и вынужденно взаимодействует с ним, призывая на свою сторону все внешние силы.
Бывают случаи, когда и внутренние силы просыпаются. Если знакомство для тела оборачивается неудачей и деформирует его хрупкую сущность, в дело вступает сила упругости, действующая пропорционально деформации тела и направленная в сторону, противоположную направлению перемещения его расстроенных частиц.
Зачастую сила упругости бессильна что-либо исправить. Чем больше расстроенных частиц, тем вероятнее, что их слезы вызовут текучесть и разрушение материальной оболочки тела. В этом уязвимость твердых тел.
К счастью для остальных гибель одного тела не ведет к катастрофе. Тела могут продолжать тереться, скользить, вязнуть и качаться. До тех пор, пока у каждого из них не состоится роковая встреча.
Импульсивность
Тела двигаются под влиянием внешней силы. Количество движения тела определяется как импульс тела, то есть масса тела, приумноженная его скоростью.
Также импульс есть у силы. Он является мерой воздействия силы на тело за установленный промежуток времени. Определяется импульс силы умножением силы на время ее действия.
Закономерно, что изменение импульса тела и импульс силы равны. Чем сильнее удар, тем импульсивнее тело. Другими словами, количество движения тела соразмерно силе, действующей на него в установленный период времени. Поэтому необоснованно мнение об излишней или недостаточной импульсивности какого-либо тела.
При взаимодействии тела делятся своими импульсами, то есть импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу.
Тела, существующие в замкнутом сообществе, изолированные от внешних тел и сил, при взаимодействии между собой сохраняют суммарное постоянство количества движения. Это явление стало законом сохранения энергии. Также его можно считать одним из признаков закрытой системы.
Действенность и энергичность
Предназначением силы является передвижение тел – механическая работа. В кругу своих сила считается действенной, если ей удается переместить тело. Выполненная работа определяется произведением модуля силы, действующей на тело, и модуля перемещения, совершаемого телом в направлении действия этой силы. При этом, сила может быть не только положительной, но и отрицательной.
Если к телу приложено несколько сил, то общая работа всех сил равна сумме работ, совершаемых отдельными силами.
Показателем, характеризующим эффективность работы, является мощность – работа, совершаемая в единицу времени. Высокая мощность – быстрое перемещение.
Между изменением скорости тела и работой, совершенной приложенными к телу силами, существует связь, которая характеризуется кинетической энергией тела. Кинетическая энергия равна половине произведения массы тела, умноженной на квадрат его скорости. Изменение кинетической энергии напрямую зависит от применённой к телу работы.
Кинетическая энергия – это энергия движения тела. Но есть еще потенциальная энергия – энергия взаимодействия неподвижных тел или частей одного тела. Потенциальная энергия – величина, зависящая от массы тела и высоты, на которую оно поднято. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое.
Понятие потенциальной энергии существует только для консервативных сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела. Консервативность свойственна силе тяжести и силе упругости.
Твердость, конформность, связь
Физические тела многообразны. Часть из них относится к твердой породе, другие – жидкости – напротив, изменчивы и способны принимать любую форму под влиянием реального давления со стороны. Третьи – газы – отличаются очень ценным в телесном обществе качеством – они не только принимают разные формы, но и меняются в объеме при необходимости.
Преображение формы тел – лицедеев не меняет их сущности, при этом переменчивость страхует от деформации, хотя и не дарует бессмертие. Это благо было бы ненужным без опоры – твердых тел.
Жесткость твердыне обходится дорого – любое взаимодействие между твердыми телами не проходит бесследно, изменение формы твердого тела требует изменения его сущности, нарушения цельности, деформации, разрушения, гибели. Окруженное конформистами, оно испытывает давление, а окунувшись в их среду – силу, равную весу вытесненных приспособленцев.
Однако у твердых тел есть шансы использовать полезные качества соглашателей.
Удачное плавание ожидает твердое тело, у которого объем погруженной во вражескую среду части будет таков, что вес вытесненного противника окажется равен весу тела. Другими словами, твердое тело нуждается в большом объеме индифферентности, то есть водоизмещения.
Чувство полета предназначено телу, наполненному теплом, которое гарантирует его легкость.
Твердым телам, чей мир заполнен однообразными врагами, необходимо действовать сообща – это обеспечивает равномерное распределение давления. При слаженном использовании сил, не допускающем трений, появляется значительная сила, которая может быть направлена на решение задач, при других условиях являющихся неподъемными.
Внутренний мир тела – это хаотичное тепловое движение его частиц – простых и сложных. Часть из них придерживается нейтралитета, но как всякий нейтралитет, он нестабилен – при необходимости частицы получают заряд – положительный или отрицательный.
Частицы тела, взаимодействуя между собой, ввиду незначительной массы, пренебрегают законом гравитации. На них воздействует сила иной природы – электрической.
Маленьким частицам приходится трудно существовать в атмосфере дисгармонии – их движение обусловлено беспорядочными ударами более крупных частиц – молекул. Эти удары никогда не уравновешивают друг друга – скорость маленьких частиц беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую.
Порой соприкасающиеся вещества проникают друг в друга – это явление называют диффузией. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов. В газах этот процесс происходит быстро, в жидкостях и твердых телах медленнее.
Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Находясь далеко друг от друга, молекулы притягиваются, а приближаясь, отталкиваются. При некотором расстоянии сила взаимодействия равна нулю, потенциальная энергия взаимодействия при этом минимальна. Чтобы удалить друг от друга две молекулы, находящиеся на таком расстоянии, нужно сообщить им дополнительную энергию – энергию связи.
Кинетическая энергия теплового движения молекул растет с возрастанием температуры. При низких температурах молекулы могут преобразоваться в жидкое или твердое вещество, при повышении температуры молекулы освобождаются, разлетаются и превращаются в газ. В мире тел температура имеет огромное значение – она может способствовать освобождению, а может ограничить и сковать.
Внутренняя энергия и обмен теплом
Энергия бьет из всех атомов и молекул, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении тела. Внутренняя энергия – это характеристика состояния тела. Она не статична и напрямую зависит от его теплоты и свободы молекул. И неважно, каким путем удается достигнуть нужного состояния.
Изменение внутренней энергии тела происходит под действием внешних сил, выполняющих порученную им работу. В результате совершаемой работы газ способен существенно изменяться в объеме, твердое и жидкое тела разогреваться, что позволяет увеличивать внутреннюю энергию.
Если внешние силы бастуют, тела обмениваются теплом. При тепловом потоке от одного тела к другому внутренняя энергия первого уменьшается, а второго – увеличивается. Показателем изменения внутренней энергии тела является количество полученной и переданной теплоты. Теплопередача происходит только в том случае, когда одно тело теплее второго. И тепловой поток всегда направлен к замерзшему телу.
Получается, что и теплообмен, и совершаемая в отношении тела работа изменяют внутреннею энергию. Образуется круговорот тепла: количество теплоты, получаемое системой в результате теплообмена и совершаемой над ней работы, затрачивается на изменение внутренней энергии системы и выполнение работы.
Работа системы имеет положительный результат за счет соразмерной затраты полученного количества теплоты или собственной внутренней энергии. Потерянная системой энергия никогда не пропадает даром, а переходит к другой системе.
В результате теплообмена телу передается некоторое количество теплоты. Изменение внутренней энергии тела зависит не только от полученного количества теплоты, но и от совершенной работы.
Для газообразного вещества характерна некоторая неопределенность теплоемкости, поскольку в процессе теплопередачи может сильно изменяться объем и совершаться работа. При нагревании жидких и твердых тел их объем почти не изменяется, поэтому все количество теплоты затрачивается на изменение внутренней энергии. При этом ни одно из тел не обладает запасом теплоты.
Тепло обеспечивает тело не только энергией, но и определенной степенью свободы. Двухатомная молекула тела может быть наделена несколькими степенями свободы. Первые три степени означают возможность независимо совершать поступательные движения вдоль осей X, Y, Z. Следующие две – два вращения относительно осей X и Y. И есть еще одна – шестая степень свободы – вращение относительно оси Z, на которой лежат центры обоих атомов. Для достижения последней необходимо очень много тепла. Для одноатомной молекулы последние три степени свободы недоступны. Многоатомной подарены все шесть.
Некоторые тела используются в качестве ресурса для превращения теплоты в работу. Их называют рабочими телами. В процессе расширения рабочего тела в тепловом двигателе, который преобразует тепло в работу, производится работа.
Лучшими рабочими телами являются свободные газы. Они получают и отдают тепло в процессе теплообмена с тепловыми резервуарами - телами, имеющими большой запас внутренней энергии.
Для того, чтобы теплопередача и превращение тепла в работу повторялись, рабочее тело совершает круг – термодинамический цикл, позволяющий восстанавливать тепловой ресурс для его дальнейшей затраты на работу.
При совершении цикла рабочему телу необходимо вступить в тепловой контакт сначала с нагревателем – тепловым резервуаром, который является более теплым, и получить от него некоторое количество теплоты, а затем отдать его холодному телу – холодильнику. По завершении цикла рабочее тело приходит в исходное положение без изменения внутренней энергии.
Для оценки полезности совершенного цикла необходимо разделить работу, совершенную рабочим телом, на количество теплоты, полученное им от нагревателя. Рассчитанный таким образом коэффициент полезного действия указывает, какая часть теплой энергии нагревателя преобразовалась в полезную работу и какая часть передана холодному телу.
А.Пикаро
