Представьте себе, что ребёнок завёл самую обыкновенную механическую заводную игрушку и пустил её прыгать или ехать по полу. Как же она движется? Отвечая на этот вопрос, придется затронуть физические, биологические, химические явления, а затем и астрономические. А если погрузиться в тему достаточно глубоко, то можно пуститься в объяснения космологических процессов и, в конце концов, дойти до колоссального выброса энергии при Большом взрыве. Но мы, пожалуй, остановимся на термоядерных реакциях на Солнце.
В этой статье на основе простого примера с заводной игрушкой расскажем о связи между естественными науками, и поделимся тем, какие удивительные явления можно объяснить при ответе на простой вопрос.
Как в заводной игрушке возникает энергия?
Разберите любую заводную игрушку, и вы обнаружите, что элементом, приводящим её в движение, является упругая деталь, например, длинная металлическая пластинка, как на фотографии. Деформированная упругая деталь обладает потенциальной энергией – если закрутить пластинку, она стремится раскрутиться обратно, совершая при этом работу. Потенциальная энергия закрученной пластинки превращается в кинетическую энергию движения игрушки.
Заводит игрушку, конечно же, человек. Он совершает работу, закручивая ключ, который связан с тем самым упругим телом. Обычно на этом заканчиваются объяснения физиков. Но, на самом деле, это только начало ответа на вопрос. Ведь ещё не выяснено, откуда человек берёт энергию на то, чтобы крутить ключ.
Краткая информация об энергии упруго деформированного тела представлена в конспекте для 10 класса по физике «Кинетическая и потенциальная энергия» в «Облаке знаний».
Откуда человек берёт энергию?
Человек ест растительную и животную пищу. Питательные вещества, которыми питаются люди, состоят из белков, жиров и углеводов. При попадании в желудочно-кишечный тракт сложные вещества разлагаются на более простые, которые потом в клетке окисляются с образованием молекул аденозинтрифосфата.
В процессе метаболизма происходят химические реакции, а энергию, необходимую для работы мышц (а значит, и для закручивания ключа заводной игрушки), человеческий организм берёт из расщёпленного аденозинтрифосфата (АТФ).
Животные, которых ест человек, тоже в итоге питаются растениями. Поэтому если упростить пищевую цепочку, то можно считать, что энергию человеку даёт биомасса растений, которые как раз и содержат питательные вещества. А как растения набирают биомассу?
Краткая информация об обмене веществ и превращениях энергии представлена в конспекте по биологии для 9 класса «Пластический и энергетический обмен, их регуляция» в «Облаке знаний».
Откуда берётся биомасса растений?
Часто на вопрос «Откуда растения набирают свою массу?» можно услышать ответ: «Из почвы». Это утверждение ещё в XVII веке решил проверить фламандский учёный Гельмонт. Он взял большую кадку с почвой массой 80 кг и посадил туда иву массой 2 кг. Спустя 5 лет масса ивы была уже около 74 кг, а масса земли уменьшилась всего на 57 граммов. Гельмонт решил, что массу дерево набрало из воды. Однако мы с вами прекрасно знаем, что вода состоит из водорода и кислорода, а сухая масса растений в основном состоит из углерода.
Много лет спустя после опыта Гельмонта выяснилось, что углерод растения берут из воздуха! При этом растения умудряются из неорганического углерода синтезировать сложные органические соединения, и для этого они используют солнечную энергию. Этот процесс называется фотосинтезом. То есть тот самый АТФ, при расщеплении которого выделяется энергия для работы мышц человека, содержит в себе солнечную энергию. А откуда берётся солнечная энергия?
Краткая информация о фотосинтезе найдётся в конспекте по биологии для 10 класса «Фотосинтез. Фотосинтетические пигменты. Фотосистемы I и II» в «Облаке знаний».
Как Солнце производит энергию?
Солнце — это звезда, в недрах которой происходят реакции термоядерного синтеза. В основном энергия выделяется в процессе протон-протонного цикла – совокупности термоядерных реакций. Сначала два протона (а протон – это ядро водорода) объединяются и образуют дейтрон – ядро изотопа водорода. Затем дейтрон сталкивается ещё с одним протоном и в результате возникает изотоп гелий-3. Наконец, два ядра гелия-3 также сливаются, что приводит к образованию гелия-4 и освобождению двух протонов.
Суть реакций заключается в том, что из ядер атомов водорода образуется гелий, и при этом высвобождается огромная энергия в виде излучения. Это излучение достигает Земли и используется растениями для фотосинтеза.
Краткая информация о термоядерном синтезе на Солнце найдётся в конспекте по астрономии для 11 класса «Солнечная активность» в «Облаке знаний».
Как же ответить на вопрос о движении заводной игрушки?
Постоим цепочку рассуждений в обратном порядке и обобщим сказанное:
- Солнце излучает энергию в результате термоядерных реакций;
- Солнечное излучение «консервируется» растениями в виде аденозинтрифосфата — АТФ;
- Организм человека расщепляет АТФ и высвобождает энергию для работы мышц;
- Человек затрачивает работу для закручивания ключа игрушки;
- Упругая пластинка, деформируясь, накапливает потенциальную энергию;
- Энергия пластины превращается в кинетическую энергию движения игрушки.
Так, в движении обычной заводной игрушки принимают участие и физические, и химические, и биологические и даже астрономические процессы. Совершенно простой вопрос может натолкнуть на замечательные рассуждения и показать, как тесно связаны естественные науки.
О чём ещё вы хотели бы узнать? Пишите предложения в комментариях.
