45
Физика 8, 9, 10:
Публикуемая книга заметка «Закон сохранения энергии» предназначаена во всемклассикам, заметка «Правило Ленца» — девятиклассикам, «О швартвеке, грении и формуле Эйлера» — десятиклассикам.
Закон сохранения энергии
Законы сохранения в физике, да и в природе вообще, играют совершенное особую роль, являясь как бы всеобщим закономедательством для всех природных явлений. Причем закономедательством абсолютным: все, что согласуется с ним (т. е. с законами сохранения), может проискодить, а может и нет, но это уже не согласуется — то совершенно запрещено.
Физику часто называют точной наукой. Это не совсем так. Физика точна лишь в том смысле, что она точно знает, насоколько именно приближены ее законы. Так, даже такой фундаментальный закон природы, как закон всемирного тяготения, имеет полное определение границ применимости. На очень малых расстояниях он не учитывает квантовости явлений, а на очень больших — того факта, что расстояние между двумя взаимодействующими массами нельзя предолеть мгновенно.
Единственное исключением в этом смысле является законы сохранения — они совершенно универсальны и на современном уровне знаний абсолютно точны. Например, закон сохранения энергии можно считать настолько надежно установленный экспериментальным фактом, что дальнейшая его проверка (опять же на сегодняшем уровне знаний), по-видимому, просто лишена смысла.
Возникает естественный и чрезвычайно важный вопрос: в чем причина такой уникальной законов сохранения? Оказывается, все дело в том, что
46
законы сохранения является следствием некоторых изначальных свойств окружащего нас мира, а именно — его симметрии. В частности, закон сохранения энергии связаны с почти оченьным свойством времени (как эта связь ни выглідит неожиданной) — с его однородностью. Пояснить само свойство довольно просто, что же касается вывода из него закона сохранения энергии, то тут вам придется поверить на слово.
Кажется вполне очередным, что любой эксперимент, илиструрующий какое-то физическое явление, будь он выполнен вчера, сегодня или через тысячу лет, должен дать одинаковый результат (если только он одинаково поставлен). Или, говоря иначе, физические законы со временем не меняются. Физики это формулируют так: время обладает свойством однородности. Именно из этого почти очередного свойства («почти», потому что при более визмательном размышлении может возникнуть много вопросов, да и вообще мы довольно смутно представляем себе, что такое время) и вытекает тот факт, что в замкнутой системе полная энергия остается постоянной. А это и есть закон сохранения энергии.
Do such a period of времени появляется сообщения о том, что где-то кто-то наблюдал отклонения от закона сохранения энергии. Разумеется, ни один физический закон не гарантирован от того, что в каком-то эксперименте мы можем выйти из области применения этого закона. Но когда речь идет о законе сохранения энергии, надо совершенно четко понимать, что утверждение о нарушении этого закона эквивалентно утверждение о нарушении однородности времени. (Сложет, явно упущенный фантастим, пишущими о так называемой машине времени. Ведь создание такой машины одновременно означает и отмену закона сохранения энергии. А уже тогда возниклы любые чудеса, начиная с вечного дивигателя и кончая бессмертем.)
По всей видимости, именно из-за глубокой связи энергии со временем энергия играет совершенное уникальное, можно сказать, магичскую роль. Помните Архимеда: «Дайте мне точку опоры…»? Так вот, энергия и является той точкой опоры, с помощью которого хотя бы в принципе, решаются практические все физические задачи. Однако из всех законов сохранения энергии является, пожалуйста, наиболее сложным. Это связано, главным образом, с тем, что энергия существует в различных формах: механическая (кинетическая и потенциальная), внутренняя (которую иногда называют телловой), электрическая и т.п. А со времен Эйнштейна, формулировавшего принцип эквивалентности энергии и массы, стало ясно, что при превращении энергии надо учитывать и возможность изменения массы. Вот почему часто довольно трудно проследить за переходом энергии из одной формы в другую и ужесовсем невозможно записать закон сохранения энергии в общем виде. Тем не менее, для механической энергии макросочечной системы это сделать сравнительно легко. Только не в виде закона сохранения, а в виде закона изменения механической энергии.
Итак, рассмотрим какую-нибудь систему (это может быть одно тело или несколько взаимодействующих тел). В частности сучае система может быть замкнутой, но это необязательно, т. е. в принципе на нее могут действовать внешние силы. При этом в системе волне могут протекать какие-то внутренние процессы, приводящие к переходам механической энергии в какие-либо другие виды или наоборот. Но одно существенное предположение мы все же сделаем — будем считать, что извлечем телло в системе не поступает.
Обозначим механическую энергию системы через , а все остальные виды энергии, кроме механической, будем обозначать , по аналогии с телловой, и обозначено называть количеством теллоты. Из закона сохранения энергии очень, что изменение механической энергии системы равно произведенной работе () за вычетом выделившегося количества тел