Kvant. Энергия
А так ли хорошо знакомо вам понятие энергия? // Квант. — 1985. — №4. — С. 35.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Заключается ли наш труд в создании науки путем связывания воедино
уже известных фактов или в поисках объяснений непонятных явлений
путем постановки ряда опытов — принцип сохранения энергии остается надежным руководителем.
Дж. К. Максвелл
История развития этого понятия и практического применения различных видов энергии тесно переплетена с историей всей физики и с биографиями выдающихся ученых. (Кстати, узнаете ли вы их на портретах?) Чтобы перекинуть «энергетический» мостик между самыми различными явлениями, потребовались многолетние усилия мысли и кропотливые эксперименты. Венчало их установление одного из фундаментальнейших законов природы — закона сохранения энергии.
Предлагаем вам еще раз поразмышлять над этим важным понятием, укрепить знакомство с ним и попробовать свои силы в решении нескольких задач. Как вы сразу заметите, главное в них — умело обращаться с энергией.
Вопросы и задачи
- Когда расходуется больше энергии — при запуске спутника вдоль меридиана или вдоль экватора?
- Лыжник скатывается с горки (не отталкиваясь палками) до полной остановки. Вернуться к месту старта он может двумя способами: в кресле канатного подъемника или же стоя на лыжах и пользуясь подъемником как буксиром. Каково соотношение между затратами энергии на подъем лыжника в двух случаях? Трение в блоках подъемника отсутствует.
- Гитару вынесли на мороз. Ее струны натянулись сильнее, значит, увеличилась их упругая энергия. За счет чего произошло это увеличение?
- Одну и ту же порцию горючего сжигают в примусе на уровне моря и в Гималаях, на высоте 8000 метров. Когда выделится больше энергии?
- Что вносит больший вклад в энергию вылетающей стрелы — корпус лука или тетива?
- За счет какой энергии поднимаются вверх стратостаты и шары-зонды?
- Звук, издаваемый камертоном, слаб. Однако камертон, закрепленный на резонаторе, звучит несравненно громче. Откуда же берется «лишняя» энергия?
- Если охлаждать чугунную сферу, полностью залитую водой и закупоренную, ниже 0 °С, вода разорвет ее. Где источник энергии, необходимой для разрыва?
- Перед тем как взлететь, ночная бабочка довольно долго подрагивает крылышками. Зачем?
- Колебания стрелки магнитоэлектрического прибора быстро затухают, если его клеммы замкнуты. Куда девается энергия колебаний?
- Маленький железный предмет «подпрыгивает», если к нему поднести сверху магнит Сколько бы мы ни проводили этот опыт, «сила» магнита не ослабевает и он вновь и вновь совершает работу. Не противоречит ли это закону сохранения энергии?
Микроопыт
Заполните одну бутылку водой, а другую такую же — песком. Дайте им скатиться с наклонной плоскости без проскальзывания. Какая из бутылок скатится быстрее? Почему?
Любопытно, что…
...первый до сих пор известный достоверный документ об «осуществлении» идеи вечного двигателя относится еще к XII веку, а в 1910 году в одно из московских научных учреждений был представлен на «рассмотрение» «проект» вечного двигателя, буквально повторяющий идею шестивековой давности.
...если Энергию, производимую при разговоре 100 000 человек, превращать без потерь в электрическую, то ее едва хватит для того, чтобы поддерживать горение лампочки карманного фонарика.
Что читать в «Кванте»
- «Законы сохранения при ядерных превращениях» — 1982, № 7;
- «Энергия и громкость звука» — 1983, № 12;
- «Работа, энергия и архимедова сила» — 1984, № 3;
- «Механическая работа и механическая энергия» — 1985, № 5.
Ответы
- При запуске спутника вдоль экватора в сторону вращения Земли линейная скорость суточного вращения складывается со скоростью, сообщенной спутнику двигателем ракеты. Естественно, при запуске вдоль меридиана (а тем более вдоль экватора в сторону, обратную вращению Земли) потребуется больше энергии для сообщения спутнику первой космической скорости.
- При скатывании с горки потенциальная энергия лыжника полностью расходуется на работу против силы трения. Втаскивая лыжника, стоящего на лыжах, подъемник восполняет его запас потенциальной энергии и кроме того совершает работу против силы трения. Затраты энергии в этом случае больше, чем при возвращении к месту старта в кресле подъемника. (Конечно, мы не учли действие сил сопротивления воздуха, считая скорость лыжника небольшой.)
- При охлаждении гитары часть ее внутренней энергии идет на увеличение потенциальной энергии упругой деформации.
- Несмотря на то, что при подъеме на высоту 8000 метров потенциальная энергия порции горючего увеличилась, при ее сгорании выделится столько же энергии, сколько и на уровне моря. Работа по подъему горючего в конечном итоге увеличивает потенциальную энергию продуктов сгорания.
- Работа по разгону стрелы совершается за счет потенциальной энергии упругой деформации корпуса «натянутого» лука и тетивы. Понятно, что возникающие при деформации лука и тетивы силы равны. Однако тетива в хорошем луке мало растяжима, то есть обладает большим коэффициентом упругости k. Можно считать, что упругая энергия зависит от величины k примерно так же, как и у пружины\[~U = \frac{kx^2}{2} = \frac{F^2}{2k}\]. Ясно, что больший вклад в энергию стрелы вносит корпус лука.
- При подъеме шара его потенциальная энергия увеличивается, однако иа занимаемое им место с той же высоты опускается воздух, плотность которого больше средней плотности шара.
- Резонатор усиливает рассеяние звука. Хотя будет слышен более сильный звук, его длительность станет меньше, излученная же энергия в обоих случаях одинакова.
- Работа, требуемая для разрыва чугунной сферы, производится за счет внутренней энергии замерзающей воды.
- Бабочка «разогревается» подобно спортсмену, делающему разминку перед стартом. Иначе говоря, часть совершаемой ею механической работы идет на увеличение внутренней энергии.
- Энергия колебаний расходуется на возбуждение вихревых токов в каркасе прибора и в цепи замкнутой катушки, в конечном итоге — на нагревание прибора.
- Чтобы магнит мог вторично притянуть предмет, его необходимо удалить, то есть совершить работу против силы, действующей на магнит со стороны предмета. Эта работа будет равна той, что совершил магнит при подъеме предмета.
Микроопыт
Вода в первой бутылке практически не вращается; ее потенциальная энергия почти целиком переходит в кинетическую энергию поступательного движения. Значительная доля потенциальной энергии второй бутылки с песком переходит в кинетическую энергию вращательного движения. Скорость поступательного движения второй бутылки оказывается меньше, а время скатывания — больше.
Портреты
Декарт, Джоуль, Майер, Ломоносов, Планк, Лейбниц, Эйнштейн, Гельмгольц, Курчатов.
