Несмотря на огромное разнообразие её форм и проявлений, свойств у Материи не слишком много, а если быть точнее - всего два.
Первое свойство Материи - вещественность, которую в физике принято выражать через Массу.
Итак:
Масса
Перейдём сразу к формулировке, поскольку в академической среде по поводу этого термина особых разногласий нет. В наиболее кратком варианте мы увидим следующее:
Масса - количество вещества, мера его вещественности.
Или чуть иначе:
Масса - мера инертности материального тела.
Собственно, на этом можно было бы закончить обсуждение данного термина, если бы не странная ситуация, возникшая в начале 20-го века стараниям математиков, которые понятие, практически неизменное со времён Аристотеля, умудрились запутать до невозможности. Суть проблемы выглядит следующим образом:
Масса - типичная пространственная характеристика. Независимо от размера и формы, любой материальный объект имеет определённый объём и плотность, а значит, занимает некоторую позицию в Пространстве по отношению к другим объектам. В то же время, Масса проявляет себя в момент взаимодействия с другими телами посредством сопротивления внешнему воздействию. Называется такое поведение инертностью. То есть, инерция - энергетическая характеристика материального тела. И всё бы хорошо, но оказалось, что масса покоя - выраженная количеством вещества, и инертная масса - сопротивление внешнему воздействию - не всегда равны друг другу, что выглядит несколько странно.
Дело в том, что согласно принципу относительности масса покоя никак не зависит от скорости движения, в то время как инертная масса с ростом скорости увеличивается до бесконечности, а ускорение, наоборот, стремится к нулю, независимо от силы воздействия. В результате возник математически рассчитанный предел - Скорость света, быстрее которой ни одно тело двигаться не может, поскольку масса его бесконечно велика, а ускорение равно нулю. Просто потому, что так работает формула F=ma. Тут бы физикам возмутиться и сказать, что в действительности такого случиться не может, а значит, произошла какая-то ошибка в вычислениях, но вместо этого они, понурив головы, согласились с математиками. С тех пор существует две ипостаси Массы - масса покоя и инертная масса, вследствие чего в физике возникло сразу несколько удивительных парадоксов. Один из них - фотон и нейтрино, у которых инертная масса есть, а массы покоя нет. То есть, в момент, когда они останавливаются, то бесследно исчезают, нарушая сразу два закона природы одновременно - Закон сохранения массы и Закон сохранения энергии. Физики опять скромно стоят в стороне, пожимая плечами, дескать, математикам виднее.
Далее максимально кратко о массе с позиций классической физики со времён Аристотеля до первой половины 20-го века:
В повседневной жизни под массой мы обычно понимаем Вес предмета, но понятия эти, хотя и родственны, но не тождественны. Зависимость Веса от массы самая прямая, но Вес у предметов существует только в условиях планетарной гравитации. Это значит, что два объекта при одной и той же массе, но находящиеся на Луне и на Земле, при измерении покажут разный вес. А если нам потребуется узнать массу предмета в космическом пространстве, то взвесить его вообще никак не получится.
Каким образом узнать массу тела в условиях невесомости?
Существует два способа.
Первый позволяет рассчитать количественную составляющую массы. Для этого используется формула:
M=pv, где p- плотность, v - объём.
На словах формула звучит так:
Масса - это произведение плотности вещества на объём им занимаемый.
Первый способ удобен для использования в том случае, когда мы имеем некоторое количество однородного вещества, его плотность легко измерить, а занимаемый объём описывается какой-нибудь несложной геометрической фигурой. Довольно простая процедура, не так ли?
В случае если химических характеристик вещества мы не знаем наверняка, а форма предмета далека от идеальной, можно применить другой способ определения массы. Его мы условно назовём сравнительным, используя свойство, присущее всем материальным объектам - инертность. Взаимодействие двух тел, когда масса одного из них нам известна, позволит оценить массовые характеристики другого, к примеру, посредством ударного взаимодействия. Нечто подобное происходит с тяжёлыми костяными шарами при игре в бильярд. Конечно, такой способ измерения вряд ли можно назвать безукоризненным, поскольку одному из тел придётся сообщить некоторую дополнительную энергию для начала движения, но даже в этом случае погрешность не слишком исказит конечный результат. Несмотря на некоторые трудности в получении удобных значений в килограммах или других мерах веса, этот метод вполне согласуется с "природной арифметикой", которая в подавляющем большинстве случаев довольствуется такими понятиями как больше-меньше, выше-ниже, сильнее-слабее. Вспомним шутливую поговорку:
В природе нет цифр, их придумали люди, чтобы считать деньги.
Естественно, никакого увеличения массы при разгоне до околосветовых скоростей не произойдёт, тем более что Скорость света и Масса тела никак друг с другом не связаны. По крайней мере, с точки зрения классической физики. А значит, нет никакого предела скорости для массы. Все эти странности возникают лишь на бумаге и в головах математиков, когда они возводят в квадрат скорость, в результате чего получается "квадратная секунда" - действительно страшная тварь - непонятная и пугающая, особенно для физиков.
Прежде чем закончить с Массой, следует сделать полезное уточнение:
В современной науке существует некоторая терминологическая путаница по поводу понятий "абсолютное значение" и "сравнительное значение". Почему-то считается, что числовой параметр, измеряемый в конкретных физических величинах, таких как килограмм, ампер или люмен - это максимально точное, а значит, абсолютное значение. Соответственно, выраженный в "разах" или процентах параметр традиционно называется относительным, то есть, уже по определению он менее точен. Но, не стоит забывать, что килограмм - это результат сравнения с эталоном, хранящимся в Палате Мер и Весов, числовое значение которому присвоено произвольным образом вообще без каких-либо согласования с Природой. Также следует напомнить, что масса предмета на Луне и на Земле в килограммах будет разной, а значит, "абсолютность" такого подхода уже сама по себе сомнительна.
В то же самое время сравнение массы двух предметов через "разы", "доли", "части" или проценты будет одинаково верным на Земле, Луне и в космическом пространстве, поскольку опирается на пропорцию, которая в любой точке Вселенной покажет один и тот же результат. Тот же довод справедлив в отношении всех других физических величин, эталоны которых когда-то были созданы волевым решением конкретных людей, ныне покойных.
Именно поэтому в повседневной жизни мы чаще используем меру, которую называем "на вес", выбирая булыжник нужной массы, чтобы заквасить капусту в бочке. Когда требуется подпереть забор, то палку мы выбираем, опираясь на такие меры длины как: "коротковато", "длинновато" и "в самый раз". В этом случае булыжник или палка, удовлетворяющие значению: "Годится!", как раз и будут тем самым "абсолютным значением" длинны или веса, вполне согласующимся с "природной арифметикой".
Несмотря на то, что современные методы измерений позволяют вычислять массу тел с высокой степенью точности, в практической жизни мы используем лишь Вес предметов. Именно по этой причине в классической физике не существует самостоятельной меры для Массы, которая бы хранилась в Палате Мер и Весов в качестве эталона.
Наука столь же несправедливо поступила и с энергией, которая является вторым фундаментальным свойством Материи.
Энергия
Если с понятием массы академическое сообщество в общих чертах определилось, то в отношении Энергии должного единодушия до сих пор не существует. Формулировки из учебника по поводу энергии больше напоминают общение юноши с девушкой, который не очень в себе уверен и поэтому не может прямо сказать, чего он хочет от неё на самом деле. Несмотря на отсутствие чёткого понимания, что такое энергия, наука очень любит это понятие и старается его использовать везде, по делу и без оного. К тому же, существуют смежные понятия, такие как - Сила, Работа и Мощность, которые довольно часто используют в качестве синонимов для термина Энергия. В результате возникает путаница, которая в науке вряд ли уместна.
Дабы упростить задачу и внести ясность, предлагается следующее определение:
Энергия - мера подвижности материального объекта.
Для полноты картины следует напомнить о главном постулате, ранее уже упоминавшемся:
Движение - способ существования Материи.
Это всё тот же Постулат Аристотеля "О вечном и беспрерывном движении Материи", разве что сформулированный чуть короче. Из него следует, что любое материальное тело, независимо от своих размеров, формы и позиции в Пространстве, обязательно обладает энергией, которая в самом общем виде представляет подвижность его самого, либо элементов, из которых он состоит. Также следует отметить совершенно уникальное свойство энергии, а именно - её независимость от Времени и Пространства, что постулируется Законом сохранения Энергии/Массы. Его частным случаем можно считать Первый закон Ньютона.
Заметим, что Ньютон лишь пересказал формулировку Аристотеля чуть более современным языком, при этом её первоначальный смысл не изменился. По крайней мере, так утверждают историки.
Первый закон Ньютона в наиболее краткой форме выглядит так:
Любое материальное тело при отсутствии внешнего воздействия может неограниченное время перемещаться в Пространстве, либо покоиться.
Здесь необходимо уточнить довольно важный момент:
Под состоянием Покоя понимается лишь неизменность позиции тела в Пространстве, при этом его подвижность под сомнение не ставится, так как выше по тексту Постулат Аристотеля о вечном и беспрерывном движении Материи мы обозначили вторым по важности Законом Природы наряду с Законом сохранения Энергии/Массы.
В таком случае, следующий вопрос более чем закономерен:
Каким образом покоящееся тело может двигаться?
Конечно, речь идёт вовсе не о перемещении тела в Пространстве, а лишь о его Подвижности, либо подвижности элементов, из которых оно состоит. Если тело совершает колебательные движения, движется по какой-то замкнутой орбите либо просто вращается, но при этом не изменяет свою позицию в Пространстве, то его можно считать покоящимся. То есть, независимо от способа подвижности, покоящимся считается тело, занимающее некоторый объём, пространственные координаты которого неизменны на протяжении длительного периода времени.
И всё же, как быть с камнем, который никуда не движется, не вращается и даже не колеблется, а просто лежит на земле?
Это как раз тот случай, когда тело вообще не подаёт никаких признаков жизни, но элементы, из которых оно состоит, всё равно подвижны. Атомы, составляющие внутреннюю структуру камня, действительно прочно закреплены в его кристаллической решётке, но элементы, из которых состоят ядра атомов, пребывают в вечном движении по сложным замкнутым траекториям, а значит, Постулат Аристотеля даже в этом случае не нарушен. Строение атома мы подробно рассмотрим в третьей части размышления, а сейчас продолжим обсуждение Энергии.
Потенциальная или кинетическая?
Несмотря на то, что с самим понятием Энергия в современной науке далеко не всё гладко, понятия - Кинетическая Энергия и Потенциальная - занимают в школьном курсе физики почётное место. То есть, рассматриваются достаточно пристально. Присмотримся к ним внимательнее, после чего сделаем определённые выводы.
Учебник нам сообщает, что:
Кинетическая энергия - мера движения материального тела, равная половине произведения квадрата скорости на его массу.
Строчная запись формулы выглядит следующим образом:
Ek=V^2m/2
А теперь попытаемся обнаружить здесь какой-нибудь физический смысл.
К массе m претензий никаких, эта величина здесь вполне уместна, так как связь её с энергией не требует доказательств. Следующий вопрос:
Что собой представляет квадрат скорости V^2с позиций классической физики?
Простое умножение массы m на скорость V по какой-то причине не устроило экспериментаторов. Вероятно потому, что неизменная скорость движения тела с позиций классической физики ничем не отличается от состояния покоя. Но это вовсе не означает отсутствия у тела Кинетической Энергии, просто мы не можем её измерить, пока не совершим над телом какого-либо насилия, к примеру, ударив по нему, подтолкнув или затормозив его движение. Именно так поступают дети - вместо того чтобы внимательно рассмотреть предмет со всех сторон или спросить у взрослых, что находится внутри, они обычно берут в руки молоток. Естественно, вещь бесповоротно утрачивает свою функциональность, зато теперь мы знаем, что находится у неё внутри.
По всей видимости, той же логикой руководствовались и создатели данной формулы - если мы не можем определить на расстоянии, какова энергия движущегося тела, то его можно немного подтолкнуть и по реакции на внешнее воздействие судить о наличии или отсутствию у тела какой-нибудь энергии. В роли "молотка" использовали Ускорение V^2 (скорость в квадрате), так как само по себе тело ни разгонится ни замедлится согласно уже известному нам Первому закону Ньютона. А для того чтобы получившийся результат измерений "очистить от внешнего воздействия", его поделили пополам, используя Третий закон Ньютона, который утверждает, что сила действия равна силе противодействия.
С точки зрения математики вроде бы всё верно - насилие совершено, но конфликтующие стороны достигли внесудебного разрешения конфликта.
Правда, осталась одна неловкость - квадрат скорости V^2 - величина сугубо математическая, и к физике вряд ли имеющая какое-то отношение. Будем разбираться с этим зверем, пока не поймём, что это такое?
Обычно использование скорости V=S/t в различных физических формулах не сулит никаких сюрпризов, но возведение её в квадрат может доставить некоторые хлопоты, ведь время t считается в шестидесятеричной системе (1 минута равна 60 секундам, 1 час - 60 минут), а путь S уже в десятичной (1 метр равен 10 дм или 100 см). Если квадрат расстояния с позиций геометрии - площадь фигуры, то вряд ли кто-то сможет представить "квадратную секунду" и физическое явление, которое она иллюстрирует. Соответственно, возведение в квадрат такой "разновеликой" дроби не только лишено физического смысла, но и результат её не слишком прогнозируем. Вероятно, именно по этой причине формулу Кинетической Энергии в виде Ek=V^2m/2оставили в школьном учебнике физики, но реальные процессы по ней не считают, так как на больших скоростях она довольно сильно подвирает.
Учебники для вузов формализуют Кинетическую Энергию более сложным образом, по всей видимости, каким-то образом исправляя недостатки "квадратной скорости" и явного "внешнего насилия" над телом, но всё равно нет полной уверенности, что результат получается безупречным. Просто потому, что математика обладает неограниченным арсеналом расчётных инструментов, но не сильно интересуется "физической стороной дела", поэтому "квадратная секунда" или даже кубическая - для неё привычная вещь. Благо, физики с таким состоянием дел давно смирились, и поэтому даже не пытаются представить, как такое может выглядеть в реальности, целиком полагаясь на безошибочность математических расчётов.
Таким нехитрым образом выяснилось, что "квадратная скорость" - зверь весьма необычный и вероятнее всего мифический, существующий лишь в головах математиков. Соответственно, и вся формула кинетической энергии рассчитывает некоторое числовое значение, которое с опытными данными даст некоторое расхождение. Благо, в реальных расчётах эта формула не используется, а потому вреда никому не принесёт.
Ранее в тексте было предложено простое решение для формализации Кинетической Энергии через перемножение массы m на скорость V, которое вполне адекватно отражало бы количество энергии движущегося тела. Единственная неприятность - в физике уже существует формула Импульса, которая выглядит какp=mV. О том, что собой представляет Импульс в физике мы ещё вернёмся, но чуть позже...
Теперь поговорим о Потенциальной Энергии, вопросов к которой ничуть не меньше. Для начала заглянем в учебник, и узнаем, каково его мнение об интересующем нас предмете.
В одном источнике читаем следующее:
Потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел. Потенциальной энергией тело само по себе не может обладать. Потенциальная энергия определяется силой, действующей на тело со стороны другого тела.
Теперь дополнение из другого источника:
Потенциальная энергия для некоторой конфигурации тел в пространстве принимается равной нулю.
Итак, что мы имеем:
Согласно представленным выше формулировкам, изначально Потенциальной Энергии у тела нет, но она удивительным образом возникает в тот момент, когда два тела начинают взаимодействовать. Довольно странное заявление, ведь в том же учебнике имеется формулировка Закона сохранения Энергии:
Энергия тела никогда не исчезает и не появляется вновь, она может лишь превращаться из одного вида в другой.
Возникает странное ощущение, что автор, писавший этот учебник, от нас что-то скрывает, либо сам не видит противоречий в том, что вкладывает в головы школьников.
Но, не будем обсуждать мотивы и помыслы людей, а целиком сосредоточимся на физике. Попробуем зайти с другой стороны, благо в учебнике приводится формула для Потенциальной Энергии, которая выглядит следующим образом:
Ep=mgh
Как ни странно, но при ближайшем рассмотрении мы видим практически ту же классическую формулу Кинетической ЭнергииEk=V^2m/2, но с другими "подгоночными коэффициентами". Масса находится на положенном ей месте и даже имеется ускорение (свободного падения), обозначенное литерой g , что однозначно указывает на их сходство.
О том, чем в действительности является Ускорение свободного падения, мы поговорим отдельно в главе, посвящённой Гравитации, а сейчас будем считать, что это такое же ускорение, как разгон или торможение. Делить пополам результат не нужно, поскольку сила тяжести действительно давит на все тела без исключения, а значит внешнее воздействие "имитировать" не требуется. Осталось лишь разобраться, для каких целей в формуле присутствует высота h.
Очевидно, что любое значение этого параметра, отличное от единицы, даёт прибавку в количестве энергии у тела. Что собой представляет такая энергия, нас пока не интересует. По мнению авторов школьного учебника, любое тело, поднятое над поверхностью, сразу же становится более энергетически оснащённым, нежели то, что лежит на земле. Житейская логика подсказывает, что в этом утверждении рациональное зерно действительно присутствует, ведь тело может упасть и оставить в месте удара вмятину, тем самым подтвердив, что его энергетические параметры выше, чем у тела той же массы, спокойно лежащего рядом. Вопрос лишь в том - упадёт ли поднятое на высоту тело?
Заметим также, что в этой формуле мы не можем высоте hприсвоить нулевое значение, так как оно обнулит не только энергию, но и массу, что в реальности вряд ли возможно. То есть, в очередной раз подтверждается тезис о том, что в физике "ноль" используется лишь в качестве знака, переводящего значения выше или ниже на другую ступень размерности, но числом ни в коем случае не является, так как уничтожает всё, к чему прикасается. Такое вот странное свойство у "ноля" в математике... Но всё же, не очень понятно, как обеспечить "ненулевую высоту" телу, которое лежит непосредственно на земле. Вдруг и его Потенциальную Энергию нам тоже захочется узнать? На всякий случай под это тело подложим тонкий лист бумаги, чтобы формула случайно не "обнулилась". Будем считать, что на этот раз выкрутились!
Продолжаем.
Теперь вспомним о том, что Ускорение свободного падения - это сила, давящая в направлении центра Земли на все тела без исключения. Нетрудно догадаться, что для тел с равной массой она будет одинаковой, независимо от того, на какой высоте эти тела находятся. Конечно, если дистанция от поверхности земли составляет метры, а не сотни километров, где гравитация уже не столь сильна.
Получается, что тело, прочно лежащее на опоре в десятке метров от поверхности Земли и то, что покоится прямо под ним, будут взаимодействовать с планетарной гравитацией в точности одинаково до тех пор, пока одно из тел не упадёт, образовав вмятину в месте своего падения. Видимо, это и имелось в виду, когда говорилось о том, что Потенциальная Энергия возникает лишь в момент взаимодействия, а в остальное время она равна нулю.
Таким нехитрым образом мы только что выяснили, что наличие у тела Потенциальной Энергии целиком зависит от гипотетической возможности его падения с некоторой высоты, и больше ни от чего. В таком случае, у находящегося в невесомости тела Потенциальной Энергии не может быть вообще, ведь там нет Ускорения свободного падения и высоты. Это значит, что совершенно без ущерба для здравого смысла можно сократить избыточные элементы в формуле и мы получим уже знакомое тождество Е=М.
Что называется - делаем выводы! А они не слишком радужные:
Формулы Кинетической и Потенциальной энергий в том виде, что даёт учебник физики, существуют лишь для заполнения пустого пространства в головах школьников, но физического смысла в них не так чтобы сильно много.
И всё же, остался открытым вопрос:
Нужны ли физике такие понятия как Кинетическая Энергия и Потенциальная?
Действительно, не на пустом же месте они возникли. Наверняка какой-то резон в их использовании имеется, и сейчас мы попытаемся его обнаружить.
Существование Кинетической Энергии доказывает и иллюстрирует простой эксперимент по разбиванию яиц, сваренных вкрутую. Если взять два яйца схожих по весу и размеру, а затем ударить один о другой, то в большинстве случаев скорлупа разбивается у того, которое в момент удара было неподвижным. Это значит, что у движущегося тела энергия всегда выше в сравнении с покоящимся при условии равенства их масс. Причём, нет никакой разницы, каков характер движения - поступательное перемещение в Пространстве, вращение или колебание.
Откуда возникает Кинетическая Энергия?
Очевидно, что этот тип энергии тело может получить только извне, то есть, в результате предыдущего взаимодействия либо их множества на всём периоде существования в качестве самостоятельного объекта. Соответственно, израсходовать эту энергию тело может лишь в процессе взаимодействия с другими телами. Иначе говоря, Кинетическая Энергия легко присоединяется к телу и так же легко его покидает, не причиняя ему никакого ущерба. Мы выстрелили из пушки, тем самым присоединив снаряду энергию движения. Как только он её израсходовал - шлёпнулся на землю, и теперь у снаряда Кинетической Энергии ровно столько, сколько было до выстрела. Не хочется использовать "нуль" как число, поэтому просто скажем - эта энергия израсходовалась целиком. Если очень хочется, можно её значение умножить на единицу. Во всяком случае, результат от этого сильно не изменится. Вроде бы, глупость, но безвредная с позиций физики.
Пришло время означить формулировку:
Кинетическая энергия - это мера движения, сообщённая телу в результате взаимодействия с другими телами.
То есть, нет никакой разницы, движется тело, колеблется или вращается. Любой характер подвижности, который сообщён телу извне, будет свидетельствовать о существовании у него некоторой Кинетической Энергии.
Тут следует задать ещё один вопрос:
Может ли покоящееся тело обладать Кинетической Энергией?
Ответ на него уже не выглядит столь однозначным. Всё будет зависеть от того, что мы называем Внутренней Энергией тела. Дело в том, что неподвижно лежащее на земле тело или висящее в невесомости, обязательно состоит из атомов, элементы ядра внутри которых пребывают в вечном движении. Нагревая тело, воздействуя на него каким-нибудь излучением или давлением, мы ускоряем движение элементов ядра внутри атома, тем самым сообщая всему телу дополнительную энергию. В какой-то момент эта энергия может покинуть тело, что замедлит движение элементов, из которых состоит ядро атома. То есть, два тела одинаковой массы будут иметь разную "энергетическую оснащённость", если одно из них горячее, а другое холодное.
То же можно сказать о куске радиоактивного вещества, которое может покоиться довольно долго, но при этом излучать энергию. Правда, в результате радиоактивного распада элемент Уран через какое-то время станет Плутонием, но это уже несколько иной физический процесс, схожий с горением дров в печи, когда масса превращается в тепловую и световую энергию.
Таким образом, с позиций классической механики термин Кинетическая Энергия к покоящемуся телу применён быть не может. Если же мы рассматриваем процессы взаимодействия более широко, учитывая внутреннее строение атома и такие параметры как давление, температуру, воздействие электричеством или излучением, то этот термин вполне справедлив и по отношению к покоящемуся телу.
По всей видимости, ответ на этот вопрос вполне мог бы стать предметом обсуждения в научной среде для выработки какого-то солидарного мнения.
К счастью, с Потенциальной Энергией ситуация обстоит несколько проще, поскольку здесь мы можем всецело опираться на принцип тождественности Массы и Энергии, который выглядит как Е=М. То есть, вся физическая масса тела, независимо от того, покоится тело или пребывает в движении, может быть зачислена ему в актив в качестве Потенциальной Энергии. Другими словами, часть своей Потенциальной Энергии тело может отдать только в том случае, если оно лишится эквивалентной части своей массы. По своей сути это и есть то самое массово-энергетическое преобразование, о котором уже было упомянуто выше по тексту на примере горения дров и роста дерева.
Чтобы идея была ещё более понятна, предлагается следующая жизненная ситуация:
Если мы используем кусок динамита в качестве спортивного снаряда и просто бросим, то сообщим ему Кинетическую Энергию. Пролетев какое-то расстояние, он шлёпнется на землю, истратив всю полученную извне энергию на трение об воздух и противодействие гравитации. Если то же самое мы проделаем за пределами атмосферы Земли, то кусок динамита будет путешествовать в космосе с присоединённой к нему Кинетической Энергией практически вечно. То есть, до тех пор, пока не встретит на своём пути какого-нибудь препятствия. Или не встретит, но уже в другом смысле...
Тем не менее, кусок динамита можно использовать по его прямому назначению. Во время взрыва практически вся его физическая масса превратится в небольшую кучку пепла, но при этом выделится огромное количество Кинетической Энергии, которая проделает в скальном массиве приличного размера отверстие. В этом случае Потенциальная Энергия перейдёт в состояние Кинетической, сообщив её всем материальным телам, находящимся поблизости. то есть, разнесёт всё вдребезги!
Теперь сама формулировка:
Потенциальная энергия - это мера движения, эквивалентная массе тела.
Формула нам уже знакома:
Е=М
Другими словами, утратить или передать свою Потенциальную Энергию тело может лишь в случае, если оно лишится некоторой части своей массы, либо утратив её целиком.
В качестве полезного дополнения нелишней будет ещё одна формулировка, а именно:
Внутренняя энергия - мера подвижности элементов, из которых состоит материальное тело.
На первый взгляд этот вид энергии для механики представляется избыточным, но именно благодаря ему материальные тела обладают инерцией. Подробнее об Инерции и Инертности в последующих частях размышления.
Итак, вопрос необходимости существования терминов Кинетическая Энергия и Потенциальная, можно считать закрытым - для практического применения они вполне пригодны.
Далее обсудим некоторые термины, которые прямо или косвенно связаны с понятием - Энергия.
Энтропия
Приведём формулировку этого термина из доступных источников в наиболее лаконичном варианте:
Энтропия - мера необратимого рассеивания энергии либо её бесполезности.
По поводу последнего утверждения о "бесполезности":
Если с неба капает дождь, то очевидно, кто-то его ждёт с нетерпением, а у кого-то протекает крыша и ему это природное явление крайне неприятно. Соответственно, для тех, кто находится в другом городе или стране, где нет дождя, информация такого рода действительно бесполезна. Поскольку классическая физика не рассматривает смысловую сторону того или иного природного процесса, а уж тем более - этическую, то для формулировки физического термина такого рода оценочные суждения, как - хорошо, плохо или бесполезно - представляются неприемлемыми.
Теперь о "необратимости рассеивания энергии".
Сразу хочется задать вопрос:
Что имел в виду автор данной формулировки, используя слова "рассеивание" и "необратимое"?
Если это синоним "расходования" или "разбрасывания", то при работе электромотора происходит расходование электроэнергии, а сеялка разбрасывает зёрна по полю. Насколько эти процессы необратимы - вопрос к конкретным специалистам - электрикам и механизаторам, но причём тут Энтропия, совершенно непонятно.
В том случае, когда под "рассеиванием" энергии подразумевается её безвозвратная утрата, то она невозможна по причине существования Закона сохранения Энергии, так как количество энергии во Вселенной неизменно на всей продолжительности её вечного существования. Если же Энергия на какое-то время перешла в состояние Массы, согласно закону эквивалентности Е=М, то у неё имеется достаточно времени для того чтобы обратное преобразование когда-нибудь произошло. Закон природы нельзя нарушить, на то он и закон.
Соответственно, чтобы всерьёз говорить о существовании Энтропии в физическом мире, неплохо бы уточнить - что под этим термином подразумевается.
Потенциал
Разговор об Энергии будет неполным, если мы не обсудим её передачу от одного тела к другому. Очевидно, что в природе существует определённый механизм энергетического обмена, а значит без агента, ответственного за такую процедуру, нам никак не обойтись. В физике эта роль поручена Импульсу и Силе.
Присмотримся к ним внимательнее.
Согласно информации из учебника - Импульс и Сила - некоторые порции Энергии, вне зависимости от того, находится материальное тело в процессе взаимодействия с другим телом либо нет.
Утверждение весьма спорное, так как передача энергии от одного тела к другому возможна лишь в процессе их взаимодействия, а значит, никакое материальное или физическое тело до этого момента не обладает ни Силой, ни Импульсом. Иначе говоря, пока тело движется либо покоится, занимая некий объём Пространства, оно обладает лишь Потенциальной, Кинетической и Внутренней энергиями, которые не может ни истратить, ни пополнить.
Даже с обывательской точки зрения свою силу человек может проявить, лишь взявшись за тяжёлый камень и попытавшись его передвинуть. До тех пор пока Илья Муромец лежит на печи, все разговоры о его силе - пустое сотрясание воздуха. Именно потому и существует выражение: "померяться силой", ведь наличие силы необходимо периодически подтверждать. Спортсмен боксёр или штангист, пускай он даже многократный олимпийский чемпион, может заболеть обычной простудой и в такой момент даже собственную руку поднять для него проблема. Так бывает, поверьте...
В этом смысле Импульс ничем не отличается от Силы, ведь он тоже должен иметь какое-то внешнее проявление. О незнакомом человеке, которого видят первый раз в жизни, вряд ли скажут, что он импульсивный. Во всяком случае, до тех пор, пока он не устроит драку или истерику на пустом месте.
К тому же, традиционная формализация этих понятий такова, что мы не можем отделить какую-то часть энергии либо массы, чтобы получить их "порцию", необходимую для взаимодействия. В самом лаконичном варианте эти понятия учебник трактует таким образом:
Импульс - производная массы от скорости, формально - p=mV.
Сила - производная массы от ускорения - F=ma.
Далее отметим недостатки подобного рода формализации.
Очевидно, что простое перемножение массы m на скорость V даёт нам полную Кинетическую Энергию тела, а вовсе не часть, как это подразумевается для понятия Импульс. При переводе на человеческий язык это означает, что воздействуя на тело путём использования Импульса, формализованного в виде p=mV мы должны иметь целую обойму таких Импульсов одинакового размера, выстреливая ими до тех пор, пока не достигнем нужного результата. По достижении желаемого необходимо собрать все гильзы и пересчитать, чтобы стало понятно, какое количество Импульсов нам потребовалось. Это не шутка, ведь сама формула Импульса не позволяет нам отделить от тела часть массы m, и поэтому либо мы её используем целиком, либо подразумеваем, что общая масса тела это сумма масс m1+m2+m(n), после чего совершаем некоторое количество выстрелов.
Нет никакого сомнения, что в виде p=mV формула Импульса даст результат, далёкий от реальности.
С понятием Сила тоже не всё гладко.
В процессе силового, а значит, контактного взаимодействия, должны участвовать минимум два тела, но формула F=ma этот момент никак не отражает. Даже простое деление результата пополам свидетельствовало бы о том, что в процессе участвуют две силы - то самое действие и противодействие, что постулирует Третий закон Ньютона. В существующем виде Сила действительно находится в пустоте и действует непонятно на что.
Также мы видим, что и здесь присутствует Ускорение, обозначенное литерой a. Ранее по тексту уже указывалось на недостатки использования Ускорения для формализации массово-энергетических взаимодействий. И проблема даже не в том, что неплохо бы размерность времени и пути приводить к общему знаменателю, а в самой физике процесса, ведь в противном случае может возникнуть "квадратная секунда". Термин Ускорение подразумевает движение, но контактное взаимодействие тел вовсе не означает, что Сила воздействия одного тела окажется достаточной для начала движения другого. Третий закон Ньютона вовсе не постулирует равенства энергий и масс взаимодействующих тел. Всё же, он немного о другом. То есть, имеется логический конфликт - для описания физического процесса, в результате которого тело вовсе не обязано двигаться, применяется формула, совершенно не приспособленная для описания состояния покоя. Просто потому, что Сила может оказаться недостаточной. Так не только в жизни, но и в физике иногда случается...
Как и в случае с Импульсом, формула Силы - F=ma не позволяет использовать часть массы m для достижения необходимого результата, что делает её бесполезной для описания реальных взаимодействий в роли порции энергии.
Вполне резонно возникает вопрос, с некоторых пор становящийся традиционным:
Нужны ли физике такие понятия как Сила и Импульс?
В качестве удобных инструментов - несомненно, ведь Сила - часть механической энергии тела, производная от его массы, а Импульс - часть энергии тела, которую оно может передать другому телу за некоторый промежуток времени. Конечно, если ситуация безвыходная, то гвоздь можно забить и булыжником, лежащим на обочине, но молоток подойдёт куда как лучше. Инструмент тем и хорош, что он специально "заточен" под конкретное действие.
Единственная неприятность состоит в том, что в физике до сих пор нет "агента", который позволял бы использовать лишь часть кинетической или потенциальной энергии тела.
Предлагается его создать из подручных средств. В качестве такой порции энергии может выступить уже знакомый нам Потенциал, который физика эксплуатирует давно и часто, но по большей части в качестве абстрактного термина. А мы позволим себе вольность присвоить Потенциалу некоторое значение, что уж точно никому не навредит.
Под подвижностью мы понимаем любое перемещение - как вращение тела, колебание, так и поступательное движение. То есть, независимо от того, меняет ли тело свою позицию в Пространстве, у него всегда имеется какой-то Потенциал. Обозначим его литеройq (ку).
А теперь через новую физическую единицу выразим Энергию для любого материального тела, используя уже известную нам формулу эквивалентности Энергии и Массы Е=М:
Е=М*q, либо Е=М(q), где q - мера подвижности тела.
При всей своей простоте и очевидности, данная запись вполне работоспособна, ведь в случае отсутствия взаимодействия потенциал будет равен единице и значения в формуле останутся прежними. Но в тех случаях, когда потребуется передать часть энергии от одного тела к другому, Потенциал позволит это сделать, выступив в роли "агента передачи". То есть, от его величины будет зависеть количество энергии, участвующей в обмене. Соответственно, потенциал равный единице отражает полную энергию тела, а его часть можно выражать в дробях, процентах или с использованием чисел, подобрав для них подходящую размерность. Отсюда второе, более простое определение:
Потенциал - некоторая часть энергии тела.
Нужен ли Потенциал для физики?
На самом деле такая необходимость давно назрела, но наши досточтимые предки велели своим потомкам забивать гвозди кирпичом, поэтому будем следовать их мудрым заветам. А если серьёзно, то в классической механике имеется давняя проблема, о которой как-то не принято говорить.
Суть её такова:
Формализация количества энергии в механике всегда происходит с применением СкоростиV, ведь именно она является мерой движения для любого материального тела. Под скоростью мы понимаем дистанцию, которую тело проходит за некоторый интервал времени. Но существует Первый закон Ньютона, который однозначно указывает на то, что ни время ни расстояние не влияет на количество энергии у тела, поскольку любое тело может стоять на месте вечно, либо лететь в Пространстве бесконечно долго. Это и не удивительно, ведь путьS, как и время в пути t - величины абстрактные, поскольку они никак не могут быть согласованы с бесконечным Пространством и вечным Временем. Их значения соответствуют лишь эталонам, хранящимся в Палате Мер и Весов, и к Мирозданию не имеют ни малейшего отношения.
То есть, Скорость - сугубо математическая величина, которая лишь отчасти пригодна для описания механического движения. На Земле её использование привычно и обосновано, но за пределами нашей планеты она превращается в абстракцию, ведь там эталон уже не к чему приставить - куда ни глянь, везде Бесконечность.
В первой половине 20-го века вроде бы нашли "фундаментальное мерило" для Вселенной - Скорость Света, но эксперименты показывают, что этот инструмент слишком рано назвали волшебным Граалем. Оказалось, что даже не очень насыщенная газовая среда заметно замедляет поток света, а значит, для почётной роли "мировой константы" скорость света не годится.
О Свете и Цвете мы подробно поговорим в последующих частях размышления, а сейчас вернёмся к повседневным проблемам физики.
Итак:
Стоит ли вообще формализовать Движение через Скорость для того, чтобы считать количество Энергии, ведь Энергия - это и есть Движение?
Зачем использовать промежуточные вычисления того, что у нас и так находится в руках?
Не проще ли рассчитывать Энергию сразу в энергетических величинах?
Это и будет необходимой аргументацией в пользу возникновения новой физической величины - Потенциала, как порции Энергии.
Следующий вопрос:
В каких единицах измерять Потенциал?
К счастью, физика этот вопрос уже давно решила, и поэтому ничего придумывать не придётся. В зависимости от того, где мы будем измерять Потенциал, он будет иметь разные имена. В Механике - это Ньютон, в Электростатике - Кулон, в Электродинамике - Вольт, в Пневматике и Гидравлике - Бар или Паскаль, в Термодинамике - Джоуль. Из этого списка не будем исключать и различные "природные размерности", такие как: дроби, проценты, "половинки", "четверти" и им подобные, ведь не секрет, что зачастую нам важно знать не столько само значение, сколько соотношение в разах, частях или долях.
Теперь, когда у нас имеется новый инструмент, попробуем исправить проблемы с формализацией Импульса и Силы.
Импульс и Сила
Для начала желательно определиться с физическим смыслом этих терминов.
Что собой представляет Импульс?
Очевидно, что это количество движения, которое одно тело может передать другому в момент контактного взаимодействия. То есть действие, строго лимитированное по времени. Отсюда формулировка:
Импульс - период времени, за который происходит передача некоторой части энергии от одного тела к другому.
Формально это будет выглядеть так:
p=qt, где p - Импульс, q - Потенциал, t - период продолжительности контактного взаимодействия.
Другими словами, величина Импульса, а значит, и количество переданной энергии от одного тела другому, впрямую зависит от длительности их взаимодействия. Важно отметить также, что параметрt, здесь выступает не как частичка бесконечного Времени, а как обычный множитель для массы, а значит, назвать его можно как угодно, не обязательно секундой. Тем не менее, не будет грубой ошибкой назвать продолжительность t временем, так как Первый закон Ньютона никак не регламентирует поведение материальных объектов в момент разгона и торможения, он справедлив лишь для неизменной скорости движения либо для покоя.
Таким образом, благодаря применению Потенциала как части энергии мы выразили передачу "порции движения" от одного тела другому без применения скорости V, что представляется более логичным с точки зрения физики процесса.
Следующий вопрос:
Что такое Сила?
Для начала, разберёмся с "механикой процесса" на основе формулы из учебника - F=ma, где F- сила, m- масса тела, a - его ускорение. Очевидно, что в момент контакта двух тел никакого ускорения мы не зафиксируем, так как внешней силе противодействует инерция другого тела, на преодоление которой требуется некоторое количество времени. Здесь мы имеем дело с Импульсом, но ещё не с Силой. Далее, если энергии первого тела недостаточно для преодоления инерции другого, то выделится некоторое количество теплоты от удара, возможно, мы отметим вибрацию, либо произойдёт деформация тел, но никакого ускорения опять не последует. Теперь предположим, что удар был столь силён, что покоящееся тело пришло в движение. Но даже в этом случае, на очень короткий период времени мы зафиксируем резкий разгон одного тела и торможение другого, после чего скорости каждого из них выровняются и далее будут постоянными в полном соответствии с количеством полученной энергии одним телом и потраченной другим. То есть, для того чтобы Разгон длился дольше, требуется продолжение взаимодействия, в основе которого передача порции энергии от одного тела к другому. В противном случае тело, получившее часть энергии, продолжит своё движение в Пространстве с неизменной скоростью - без разгонов и торможений.
Математическая запись, дающая правильный результат без использования Скорости или Ускорения вполне сгодилась бы, но для описания движения её пока не изобрели. Поэтому для физики единственно верный способ формализации Разгона тела и Торможения возможен лишь через сложение и вычитание энергии контактирующих тел. В качестве "агента передачи" как раз подойдёт Потенциал, либо его производная по времени - Импульс.
Делаем вывод, что Сила зависит лишь от масс тел и их энергий - потенциальной, кинетической и внутренней. Так как при контактном взаимодействии одно тело не может отдать всю свою энергию, то мы рассматриваем в формуле только её порцию - Потенциал. В результате формула получается такая:
F=mq, где F- сила, m- масса тела, q - Потенциал.
Другими словами, мы "математическую величину" - Ускорение, просто меняем на "физическую" - Потенциал. Этого вполне достаточно.
Вполне допустимым будет утверждение, что Сила - это некоторая часть Мощности тела, требующейся на преодоление Инерции другого тела, отсюда столь поразительная схожесть с формулой: