4.1

IV. МЕХАНІЧНА ЕНЕРГІЯ

4.1. значення енергії

Будь-яке зміна матерії є рухом, найпростішими формами якого є поступальний і обертальний руху.

Мірою поступального руху є імпульс. Однак ця динамічна характеристика, введена Ньютоном , Хоча і має фундаментальне значення, але не може служити універсальною мірою для всіх форм руху матерії, наприклад, для обертального, теплового і т.д.

НЬЮТОН (Newton) Ісаак (1643-1727), англійський математик, механік, астроном і фізик, творець класичної механіки, член (1 672) і президент (з 1703) Лондонського королівського товариства. Фундаментальні праці «Математичні початки натуральної філософії» (1687) і «Оптика» (1704). Розробив (незалежно від Г. Лейбніца) диференціальне та інтегральне числення. Відкрив дисперсію світла, хроматичну аберацію, досліджував інтерференцію і дифракцію, розвивав корпускулярну теорію світла, висловив гіпотезу, що поєднала корпускулярні і хвильові уявлення. Побудував дзеркальний телескоп. Сформулював основні закони класичної механіки. Відкрив закон всесвітнього тяжіння, дав теорію руху небесних тіл, створивши основи небесної механіки. Простір і час вважав абсолютними.

Нехай однорідний шар рівномірно обертається навколо нерухомої осі, що збігається з віссю симетрії, що проходить через центр інерції (рис. 4.1).

Мал. 4.1

Оскільки при обертанні кулі, будь-які його дві діаметрально протилежні матеріальні точки мають лінійні швидкості, рівні за величиною, але протилежні за напрямком, тобто vi = vk, v i = vk. При цьому сумарний імпульс всього кулі дорівнює нулю. Однак тіло може обертатися з будь-кутовою швидкістю ω. Отже, імпульс тіла ніяк не характеризує обертальний рух. В цьому випадку мірою обертального руху кулі є момент імпульсу.

Відомо, що для здійснення рівномірного обертального руху тіл навколо деякої осі необхідно безперервно впливати зовнішньою силою, яка витрачається на подолання тертя в місцях закріплення осі обертання.

Однак при терті виділяється тепло, а момент імпульсу залишається постійним і ніяк не враховує кількість виділився тепла.

Оскільки фізика вивчає різні форми руху матерії (механічні, теплові, електричні, магнітні і т.д.), то зусилля вчених різних країн були спрямовані на те, щоб знайти універсальну міру, що враховує будь-яка зміна матерії.

Єдиної мірою різних форм руху матерії є фізична величина - енергія .

У роботах Ломоносова, Майера, Гельмгольца, Джоуля та інших вчених був остаточно сформульований загальний закон збереження і перетворення матерії - закон збереження енергії , Який говорить: енергія зникає і не знищується, а переходить з одного виду до іншого в рівних кількостях.

ЛОМОНОСОВ Михайло Васильович (1711-65), перший російський вчений-натураліст світового значення, поет, який заклав основи сучасної російської літературної мови, художник, історик, поборник розвитку вітчизняного освіти, науки і економіки. Народився 8 (19) листопада в д. Денисівка (нині с. Ломоносово) в родині помора. У 19 років пішов вчитися (з 1731 в Слов'яно-греко-латинської академії в Москві, з 1735 в Академічному університеті в Санкт-Петербурзі, в 1736-41 в Німеччині). З 1742 ад'юнкт, з 1745 академік Петербурзької АН. У 1748 заснував при АН першу в Росії хімічну лабораторію. З ініціативи Ломоносова заснований Московський університет (1755). Відкриття Ломоносова збагатили багато галузей знання. Розвивав атомно-молекулярні уявлення про будову речовини. В період панування теорії теплорода стверджував, що теплота обумовлена ​​рухом корпускул. Сформулював принцип збереження матерії і руху. Виключив флогистон з числа хімічних агентів. Заклав основи фізичної хімії. Досліджував атмосферну електрику і силу тяжіння. Висунув вчення про колір. Створив ряд оптичних приладів. Відкрив атмосферу на Венері. Описав будову Землі, пояснив походження багатьох корисних копалин і мінералів. Опублікував керівництво по металургії. Автор поем, поетичних послань, трагедій, сатир, фундаментальних філологічних праць та наукової граматики російської мови. Відродив мистецтво мозаїки і виробництво смальти, створив з учнями мозаїчні картини. Член Академії мистецтв (1763). Похований в Санкт-Петербурзі в Некрополі 18 в.

МАЙЕР Роберт Юліус (1814-1878), німецький вчений, одним з перших відкрив фундаментальний закон природи - закон збереження і перетворення енергії.

Гельмгольца (Helmholtz) Герман Людвіг Фердинанд (1821-94), німецький вчений, іноземний член-кореспондент Петербурзької АН (1863). Автор фундаментальних праць з фізики, біофізики, фізіології, психології. Вперше (тисяча триста сорок сім) математично обгрунтував закон збереження енергії, показавши його загальний характер. Розробив термодинамічну теорію хімічних процесів, ввів поняття вільної та зв'язаної енергій. Заклав основи теорій вихрового руху рідини і аномальної дисперсії. Автор основоположних праць з фізіології слуху і зору. Виявив і виміряв теплоутворення в м'язах, вивчив процес скорочення м'язів, виміряв швидкість поширення нервового імпульсу. Прихильник фізіологічного ідеалізму.

ДЖОУЛЬ (Joule) Джеймс Прескотт (1818-89), англійський фізик. Експериментально обгрунтував закон збереження енергії, визначив механічний еквівалент тепла. Встановив закон, названий законом Джоуля - Ленца. Відкрив (спільно з У. Томсоном) ефект, названий ефектом Джоуля - Томсона.

Закон збереження енергії перевірений численними експериментами і його достовірність зараз не викликає ніяких сумнівів.

Аналіз досвідчених фактів показує, що енергія механічного руху, наприклад, при терті переходить в теплоту.

Взагалі механічний рух або будь-яке інше не зникає безслідно, а переходить в інші види руху матерії.

Єдність матерії і руху знайшло найбільш загальне вираження у формулі Ейнштейна : Е = mc 2, де m - маса частинки, з - швидкість світла у вакуумі.

Ейнштейн (Einstein) Альберт (1879-1955), фізик-теоретик, один із засновників сучасної фізики, іноземний член-кореспондент РАН (1922) і іноземний почесний член АН СРСР (1926). Народився в Німеччині, з 1893 жив у Швейцарії, з 1914 в Німеччині, в 1933 емігрував до США. Створив приватну (1905) і загальну (1907-16) теорії відносності. Автор основоположних праць з квантової теорії світла: ввів поняття фотона (1905), встановив закони фотоефекту, основний закон фотохімії (закон Ейнштейна), передбачив (1917) вимушене випромінювання. Розвинув статистичну теорію броунівського руху, заклавши основи теорії флуктуацій, створив квантову статистику Бозе - Ейнштейна. З 1933 працював над проблемами космології і єдиної теорії поля. У 30-і рр. виступав проти фашизму, війни, в 40-е - проти застосування ядерної зброї. У 1940 підписав лист президенту США, про небезпеку створення ядерної зброї в Німеччині, яке стимулювало американські ядерні дослідження. Один з ініціаторів створення держави Ізраїль. Нобелівська премія (1921, за праці з теоретичної фізики, особливо за відкриття законів фотоефекту).

Енергія є кількісною мірою будь-якого руху матерії, а при кожному русі змінюється стан системи матеріальних об'єктів. Будь-яка система характеризується рядом фізичних величин, які називаються параметрами стану. Наприклад, положення м.т. в просторі характеризується координатами і їх відносними швидкостями. При кожній зміні стану системи змінюються параметри стану.

Отже, енергія є функція стану системи.

З динаміки відомо (гл. 3), що всяка зміна механічного руху тіла завжди відбувається в результаті його взаємодії з іншими тілами.

Ця взаємодія кількісно характеризується силою. Отже, сила є причиною зміни механічної енергії.

Мірою енергії, переданої від одного тіла до іншого, є фізична величина, яка називається роботою.

Тіла при взаємодії обмінюються енергією, кількісною мірою якої і є робота.

Загальний висновок: енергія є кількісна міра будь-яких форм руху матерії. Робота - міра кількості енергії, переданої при механічному взаємодії від одного матеріального об'єкта до іншого або перетворення механічного руху в інші форми. Рух і матерія взаємопов'язані і нерозривні (див. Відеофільм "Закон збереження маси і енергії" ).