Какая бывает энергия?

Вокруг нас постоянно что-то происходит: качаются ветки деревьев и дует ветер, остывает налитый в чашку чай, пересекают улицу пешеходы.

Как вы помните, всякие изменения, которые происходят в окружающем нас мире, мы с вами назвали явлениями природы. А для объяснения причины возникновения этих разных явлений используется физическая величина, называемая энергией.

Энергия — это древнегреческое слово, которое появилось ещё в работах Аристотеля, и переводится как деятельность, действие, сила, мощь. Сейчас же под энергией мы понимаем физическую величину, являющуюся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи.

То есть энергией, например, обладает движущийся автомобиль и неподвижно стоящий светофор, камень на вершине утёса, кусочек сливочного масла и кипящий чайник, и даже солнечный луч. Но только в тех случаях, когда тело претерпевает какие-либо изменения, имеет смысл вспоминать об энергии, как средстве учёта этих изменений.

Давайте с вами обратимся к опыту и изготовим простой, но интересный физический прибор — маятник. Он представляет собой нить с закреплённым на её конце грузом (в нашем случае это будет металлический шарик).

Если шарик отклонить от положения равновесия, то он придёт в движение. Отклоним шарик на больший угол. Как видим, он приобрёл бо́льшую скорость.

— А что произойдёт, если на пути шарика поставить деревянный брусок?

Вероятнее всего, шарик, ударившись об брусок, сдвинет его, то есть произведёт некоторое действие.

Пронаблюдаем, какие действия будет производить шарик, если ему сообщать разные скорости, отводя маятник в сторону на разные углы.

Видно, что действие, производимое шариком, тем больше, чем больше его скорость.

А теперь давайте возьмём ещё один маятник с такой же по длине нитью. Но массу груза на конце нитки увеличим. Если получившиеся маятники отклонить на одинаковые углы и одновременно отпустить, то шарики будут за одно и то же время проходить одинаковые расстояния. То есть их скорости будут равны (удивительный факт)!

А теперь на пути маятников поставим одинаковые бруски. Что произойдёт?

Правильно, шарики при столкновениях с брусками произведут разные действия: более массивный шарик дальше оттолкнёт брусок. Значит, действие, производимое шариком, тем больше, чем больше его масса. Это свидетельствует о том, что, несмотря на одинаковые скорости, движения шариков в чём-то различны.

Из проведённых нами опытов вытекает один важный вывод: действие, производимое движущимся телом, зависит и от массы тела, и от его скорости. Чтобы предвидеть, какое действие произведёт движущееся тело, нужна физическая величина, которая определялась бы и массой, и скоростью тела. Эта величина называется кинетической энергией (или энергией движения). Обозначается кинетическая энергия Е_к.

Единицей измерения кинетической энергии в СИ служит один джоуль (1 Дж). Она названа в честь великого английского учёного Джеймса Джоуля, который провёл важные эксперименты по изучению закона сохранения энергии (о нём чуть позже).

Ещё раз отметим, что кинетической энергией обладает любое движущееся тело, ведь оно может произвести то или иное действие. Например, движущийся молоток может забить при ударе гвоздь в доску, летящий камень или мяч — разбить стекло, а движущийся воздух — ветер — может разбросать опавшие листья или растрепать волосы.

Давайте рассмотрим другой опыт. К горизонтально расположенной пружине, один конец которой закреплён, прикрепим небольшую тележку. А теперь растянем пружину и будем удерживать её в этом состоянии. Ни брусок, ни витки пружины не движутся. Значит, они не обладают кинетической энергией. Но что произойдёт, если мы отпустим пружину?

Правильно, она начнёт сжиматься, приводя тележку в движение. Следовательно, деформированная пружина также обладает энергией. Эту энергию называют потенциальной энергией (энергией взаимодействия). Потенциальная энергия обычно обозначается Е_п. А единицей её измерения в СИ, как и в случае с энергией кинетической, является один джоуль (1 Дж).

Потенциальная энергия взаимодействующих витков деформированной пружины, как легко проверить на опыте, зависит от упругих свойств и величины деформации пружины.

Потенциальной энергией также обладают поднятое на некоторую высоту тело и Земля, взаимодействующие силой тяготения. Поднимем, например, гирю на некоторую высоту и под гирей расположим деревянный брусок с гвоздём. При падении гиря ударит о гвоздь и вобьёт его в дерево. Тем самым будет совершено некоторое действие.

Значит, поднятая гиря и Земля обладают потенциальной энергией. Потенциальной энергией обладает и вода в реке, поднятая плотиной гидроэлектростанции. При падении вода совершает определённое действие, приводя в движение турбины электростанции.

Давайте выясним, от каких физических величин зависит потенциальная энергия тел, взаимодействующих силой тяжести. Для этого проделаем несколько простых опытов. Возьмём наклонную плоскость, у основания которой расположим небольшой деревянный брусок. Далее с середины наклонной плоскости скатим небольшой металлический шарик. Ожидаемо, что шарик, обладая потенциальной энергией, сдвинул брусок.

Повторим опыт. Но теперь предоставим возможность шарику скатиться с самого верха.

Как видим, наш брусок, лежащий у основания плоскости, опять сдвинулся с места, но уже на большее расстояние. О чём это нам говорит?.. О том, что действие, производимое падающим шариком (то есть его потенциальная энергия) тем больше, чем больше первоначальная высота шарика.

А теперь заменим наш шарик на более массивный и повторим наш эксперимент.

Нетрудно заметить, что брусок отъехал ещё дальше от наклонной плоскости. Значит, потенциальная энергия шарика тем больше, чем больше его масса.

Интересно, а смогли ли вы из наших опытов заметить одну важную закономерность? Тела, обладающие потенциальной энергией и предоставленные самим себе, приходят в движение, уменьшая при этом свою потенциальную энергию. То есть они стремятся к тому, чтобы их потенциальная энергия была как можно меньше. Ведь это обеспечивает им устойчивое состояние. Вот почему, например, падает яблоко или течёт вода со склона.

Обратите внимание, кинетическая энергия какого-нибудь тела — это энергия одного движущегося тела. Потенциальная же энергия — это всегда энергия взаимодействия нескольких (самое малое двух) тел или частей тела. Например, если мы и говорим: «Потенциальная энергия мяча, поднятого над поверхностью Земли», то должны понимать, что на самом деле речь идёт об энергии взаимодействия мяча и Земли.

Итак, если тело (или тела) совершает либо может совершить какое-нибудь механическое действие или изменения в окружающих телах, то говорят, что тело (или тела) обладает механической энергией.

Механическая энергия — это физическая величина, которая является мерой движения и взаимодействия тел. Она равна сумме кинетической и потенциальной энергий:

Е = Е_к + Е_п.

Таким образом, кинетическая и потенциальная энергия — это два вида механической энергии. Но связаны ли они? Давайте посмотрим.

Проследим за движением брошенного вверх металлического шарика. В нижней точке траектории сила действия на шарик сообщает ему кинетическую энергию. Шарик движется вверх. Скорость его движения, а значит, и кинетическая энергия уменьшаются. Но исчезает ли кинетическая энергия бесследно? Поднимаясь выше, шарик приобретает все бо́льшую потенциальную энергию. В верхней точке скорость и кинетическая энергия шарика равны нулю. Зато потенциальная — максимальна. Значит, в рассмотренном примере происходит превращение кинетической энергии в потенциальную. При возвращении шарика обратно снова будет идти превращение энергии: с уменьшением высоты (и потенциальной энергии) увеличивается скорость движения шарика (и кинетическая энергия).

И если пренебречь сопротивлением воздуха, то брошенный вверх шарик возвращается назад практически с такой же, как в момент бросания, скоростью и кинетической энергией.

В рассмотренном нами опыте с мячиком мы познакомились с новым физическим явлением — взаимным превращением энергии. Потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию, а кинетическая — в потенциальную.

Явление превращения энергии постоянно происходит в природе и широко используется в технике. Так, например, кузнечик при прыжке распрямляет ноги, происходит превращение энергии упругой деформации в кинетическую энергию движения кузнечика. А энергия движения, в свою очередь, переходит в потенциальную энергию тела, поднятого над поверхностью Земли.

Превращения энергии подчиняются очень важному закону — закону сохранения энергии: общее количество энергии при её превращениях не уменьшается и не увеличивается, а остаётся неизменным:

Е = Е_п + Е_к = Е_п0 + Е_к0.

При первоначальном знакомстве с законом сохранения энергии у внимательного и вдумчивого ученика возникают сомнения: а всегда ли выполняется этот закон? Например, мы знаем, что шайба, скользящая по льду, со временем теряет свою скорость. В конце концов она вообще остановится и не будет обладать ни потенциальной, ни кинетической энергией. А её механическая энергия будет равна нулю. Кажется, что закон сохранения энергии нарушен. Эти возражения были бы совершенно верны, если механическая энергия являлась бы единственным видом энергии. Но помимо механической энергии имеется тепловая энергия, световая энергия, электрическая энергия и другие её виды. В нашем примере с шайбой следует учесть, что при движении часть её механической энергии передаётся льду, плюс никто не отменял силы сопротивления. Так происходит превращение механической энергии в иные виды энергии.

Например, при наличии трения всегда происходит превращение механической энергии движущегося тела в тепловую энергию. Это легко обнаружить, если, например, потереть одну ладонь о другую — вы сразу же почувствуете, что ладони стали теплее.

Множество наблюдений и опытов, проведённых учёными, убеждает, что если учитывать все виды энергии, то нет ни одного физического явления, в котором бы нарушался закон сохранения энергии. Все явления в природе происходят так, что выполняется закон сохранения и превращения энергии: во всех явлениях, которые протекают в природе, энергия не возникает из ничего, и никуда не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой так, что её значение при этом сохраняется.

В заключение заметим, что явление превращения энергии из одного вида в другой человек научился использовать в своих практических целях. Например, энергия падающей воды приводит в действие водяные мельницы и гидроэлектростанции.

Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива приводит в движение автомобили и ракеты. А энергию ветра человек вообще начал использовать с давних времён. Вначале для передвижения с помощью паруса, затем в ветряных мельницах. А сейчас в мире строится всё больше и больше ветроэлектростанций. Их преимущество заключается в том, что они почти не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Во многих странах успешно используют энергию приливов и отливов вод морей и океанов. Там созданы приливные электростанции.