ЕНЕРГІЯ

Розділ 1. ПОЧИНАЄМО ВИВЧЕННЯ ФІЗИКИ

§5. ЕНЕРГІЯ

2. ЕНЕРГІЯ

Механічну роботу люди давно навчилися “перекладати на плечі” машин і механізмів.

Одним із перших таких механізмів був водяний млин (рис. 5.2): роботу тут виконує сила, з якою вода, що падає, діє на лопаті колеса. Сучасна гідроелектростанція, що змушує “працювати” величезну річку (рис. 5.3), “виросла” з невеликого водяного млина на струмку.

Щоб млин працював або гідроелектростанція виробляла електроенергію, потрібно створити

різницю рівнів води. Отже, вода та Земля, що її притягує, утворюють систему тіл, здатну виконувати роботу.

Здатність виконувати роботу має також тіло, що рухається. Наприклад, вода, падаючи, ударяє в рухомі лопаті колеса або турбіни, тобто діє на них з деякою силою. При цьому швидкість води зменшується. Фізичну величину, що характеризує здатність тіла або системи тіл виконувати роботу внаслідок зміни свого стану, називають енергією.

Кажуть, що тіло (або система тіл) має енергію, якщо це тіло (або система тіл) може виконати роботу. Мірою зміни енергії є виконана робота: коли тіло виконує роботу, його енергія зменшується

на величину, що дорівнює виконаній роботі.

Отже, енергію вимірюють тими самими одиницями, що й роботу: одиницею енергії в SI є джоуль. Якщо тіло (система тіл) виконує роботу в 1 Дж, енергія тіла (системи тіл) зменшується на 1 Дж.

ВИДИ ЕНЕРГІЇ

Тіло або система тіл може виконувати роботу внаслідок різних змін свого стану.

Роботу може бути виконано внаслідок зміни взаємного положення тіл, що взаємодіють, або внаслідок зміни швидкостей тіл. В обох цих випадках змінюється механічна енергія даного тіла або системи тіл. Частину механічної енергії, зумовлену взаємодією тіл, називають потенціальною енергією, а частину механічної енергії, зумовлену рухом тіла, – кінетичною енергією.

Наприклад, підняте над Землею тіло та Земля притягують одне одного, тобто взаємодіють. Завдяки цьому тіло під час падіння може виконати певну роботу. Отже, підняте тіло має потенціальну енергію.

Під час падіння тіла його потенціальна енергія зменшується, зате кінетична – збільшується, тому що збільшується швидкість тіла.

Розглянемо ще один випадок, коли тіло може виконати роботу. Газ, розширюючись у циліндрі, рухає поршень, виконуючи при цьому роботу (на цьому грунтується дія автомобільних двигунів). Але, розширюючись, газ охолоджується, тобто його температура знижується. А при цьому, як ви дізнаєтеся далі, сповільнюється хаотич – ний1, тобто безладний, рух молекул газу. Отже, розширяючись, газ виконує роботу завдяки зменшенню кінетичної енергії хаотичного руху молекул.

Енергію, зумовлену хаотичним рухом частинок тіла та їхньою взаємодією, називають внутрішньою енергією.

Коли газ розширюється, він виконує роботу, а його внутрішня енергія зменшується.

Учені встановили, що є й інші види енергії – наприклад, електромагнітна й атомна енергія. Про них ви дізнаєтесь докладніше з курсу фізики старших класів.

Енергія є найважливішою фізичною величиною, тому ми й розповіли про неї на початку вашого знайомства з фізикою.

Цілі епохи в історії людства називали “на честь” використовуваного виду енергії. Так, час парових двигунів (від другої половини 18-го століття до кінця 19-го століття) називали “століттям пари”. А 20-те століття називали “століттям електрики”, а також “століттям атома”.

ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ

Досліди свідчать, що коли можна знехтувати силами тертя, механічна енергія тіл, що взаємодіють, тобто сума їхніх потенціальної та кінетичної енергії, не змінюється. Це є проявом закону збереження енергії, відкритого в 19-му столітті. Закон збереження енергії: у всіх процесах, що відбуваються в природі, сумарна енергія всіх тіл, що взаємодіють, зберігається.

Закон збереження енергії означає, що енергія є загальною мірою руху та взаємодії тіл і частинок: вона ніколи не зникає та не з’являється, а лише перетворюється з одного виду в іншій.

Багато процесів, які відбуваються в природі, супроводжуються перетвореннями енергії. Наприклад, коли внаслідок тертя тіло, що рухається, зупиняється, його механічна енергія переходить у внутрішню, тому що завдяки тертю тіло нагрівається.

1 Від грецького “хаос” – безладдя.

ЧИ МІГ БИ АРХІМЕД ЗРУШИТИ ЗЕМЛЮ?

Правило важеля встановив на досліді видатний давньогрецький учений і інженер Архімед, який жив у 3-му столітті до нашої ери в Сіракузах, одному із грецьких міст-держав на острові Сицилія.

Архімед досяг такої досконалості в спорудженні різних механізмів, що заявив якось цареві Сіракуз: “Своїми механізмами я один можу підняти будь-який вантаж!” Більше того, Архімед стверджував, що він міг би зрушити навіть Землю, якби тільки знайшов “точку опори” – наприклад, другу Землю, на яку можна стати! Цар дуже здивувався і запропонував Архімедові продемонструвати свою могутність.

Тоді Архімед попросив завантажити корабель, який насилу ви тягли на берег, і посадити на нього весь екіпаж. Прив’язавши до корабля міцний канат, Архімед почав тягнути канат за допомогою винайденого ним механізму. І корабель плавно рушив по піску до Архімеда так, начебто поплив під вітрилами по морю! Цар і всі присутні були вражені могутністю Архімеда – не могутністю його рук, а могутністю його розуму.

Однак, стверджуючи, що він міг би зрушити Землю, Архімед дуже переоцінив свої можливості. Розрахунки свідчать, що навіть якби Архімеду фантастично “пощастило” і він зміг би знайти “точку опори” та величезний важіль, то не встиг би помітно зрушити Землю не тільки за все своє життя, а й за весь час існування Землі.

ЧИ МОЖЕ ЛЮДИНА ВТОМИТИСЯ,

НЕ ВИКОНУЮЧИ МЕХАНІЧНОЇ РОБОТИ?

Чому дуже втомлюєшся, коли довго тримаєш, наприклад, повне відро води? Адже механічної роботи при цьому не виконуєш, бо переміщення дорівнює нулю! Щоб переконатися, що тримання вантажу не є роботою у фізичному значенні цього слова, поставте відро на підлогу: підлога “триматиме” відро як завгодно довго, аж ніяк не втомлюючись!

Людина ж, тримаючи вантаж, утомлюється через напругу м’язів. Покладіть той самий вантаж на коліна, і ви відчуєте значне полегшення.

Отже, не слід плутати механічну роботу як фізичну величину з роботою в повсякденному значенні слова, тобто з будь-якою діяльністю, що викликає втому. Адже втомитися можна, зовсім не виконуючи механічної роботи – наприклад, створюючи музику або складаючи вірші. А найбільше, як відомо, утомлюєшся саме від неробства!

ПОТУЖНІСТЬ

Однакову роботу можна виконати за різні проміжки часу. Наприклад, можна підняти вантаж за хвилину, а можна піднімати цей вантаж і цілу годину.

Фізичну величину, що дорівнює відношенню виконаної роботи A до проміжку часу t, за який цю роботу виконано, називають потужністю та часто позначають N. Отже, N = A It.

Одиницею потужності в SI є джоуль за секунду (Дж/с), або ват (Вт), названий так на честь англійського винахідника Джеймса Уатта (Ватта). Один ват – це така потужність, за якої роботу в 1 Дж виконують за 1 с. Отже, 1 Вт = 1 Дж/с.

Людина може розвивати потужність у сотні ватів. Щоб оцінити, наскільки людський розум, що створив двигуни, “могутніший” за людські м’язи, наведемо такі порівняння (рис. 5.4):

– потужність легкового автомобіля приблизно в тисячу разів більша за середню потужність людини;

– потужність авіалайнера приблизно в тисячу разів більша за потужність автомобіля;

– потужність космічного корабля приблизно в тисячу разів більша за потужність літака.