Энергия заставляет вещи менять свое положение в пространстве и меняться самим. Процесс, в ходе которого меняются вещи, называется работой. Работа напрямую связана с другим физическим параметром — силой, определяющей способность перемещать объекты. В ходе этого процесса применяется энергия. Энергия — это способность выполнять работу.
Вселенная немыслима без энергии, и каждому следует знать о том, что это такое и какой она бывает. В этом, безусловно, помогает научная и научно-популярная литература, в которой сложные вещи подаются в доступной каждому, вне зависимости от возраста, форме. Среди этих книг следует особо выделить англоязычный популяризаторский труд Дженис Ванклив (Janice VanCleave) «Energy for Every Kid» («Об энергии — каждому ребенку»). Немало интересного там сказано также и о способах применения энергии человеческой цивилизацией.
Тема энергии является одной из самых интересных и занимательных. И сегодня нам предстоит рассмотреть взаимосвязь между энергией и работой.
Ведерко с песком
Объем работы вычисляется как произведение силы и движения:
работа = сила х движение
В метрической системе единицей измерения силы является ньютон, а движение измеряется в метрах. В традиционной английской системе сила измеряется в фунтах, а движение — в футах. Почему США не перешли на метрическую систему? Этот вопрос был подробно рассмотрен.
Работа 1 ньютон х 1 метр в метрической системе составляет 1 джоуль и равен примерно 0,74 фута х фунт, если обращаться к традиционной английской системе. Джоуль является единицей измерения работы.
Энергия и работа тесно взаимосвязаны. Определенный объем энергии способен выполнить определенный объем работы. Работа, выполняемая для подъема некоего объекта эквивалентна энергии, передаваемой данному объекту. Если вы хотите поднять объект, вы должны применить к нему силу, эквивалентную весу объекта. К примеру, чтобы поднять небольшое ведро с песком массой ~5,5 килограмм, вес которого соответственно составляет 55 ньютонов, на стол высотой 90 сантиметров, вам придется применить силу, эквивалентную весу. Кстати, вес измеряется не в килограммах, а в ньютонах. В килограммах измеряется масса, которую частенько называют «весом». Это взаимосвязанные, но несколько различные понятия.
Итак, чтобы поднять это ведро, потребуется выполнить работу в 49,5 джоулей. Произведем простые вычисления, не прибегая к буквенным обозначениям единиц измерения, чтобы не усложнять повествование.
Работа = 55 ньютонов х 0,9 метра = 49,5 ньютон-метров = 49,5 джоулей.
Работа по поднятию рассматриваемого ведра составляет 49,5 джоулей кинетической энергии, то есть энергии перемещения объектов. Энергия уже поднятого объекта на поверхности стола называется потенциальной энергией, то есть сохраняемой энергией объекта в соответствии с его положением или условиями. Таким образом, ведро на столе обладает на 49,5 джоулей энергии больше, чем на полу.
Почему так происходит? Дело в том, что перемещая ведро с пола на стол, вам приходится преодолевать силу земного притяжения. Вес является показателем действия силы гравитации на объект. Если поставить ведро на коврик и перемещать коврик по полу, вам придется преодолевать силу трения между ковриком и полом.
Трение является силой, противодействующей перемещению объектов, поверхности которых контактируют друг с другом. Сила трения между двумя поверхностями зависит от силы, соединяющей объекты и шероховатости поверхностей.
Поскольку пол горизонтальный, вес ведра эквивалентен силе, соединяющей коврик и пол вместе. Если коврик и пол скользкие, то сила трения слабее веса ведра. Как и в предыдущем примере, работа, проделанная при перетаскивании коврика эквивалентна энергии, переданной ведру. Но поскольку ведро не было поднято, то эта энергия будет не потенциальной, а кинетической. Поэтому перемещать предметы по скользкой поверхности, протягивая их на скользком коврике, легче, чем поднимать их и нести на то же расстояние.
Теперь понятно, почему чем выше приходится поднимать объект, тем тяжелее. Ведь приходится выполнять больший объем работы, затрачивая при этом больше энергии.
Сила гравитации уже и сегодня постепенно начинает использоваться в качестве источника энергии. Как вы думаете, есть ли перспективы у гравитационной энергии? Ведь она практически неисчерпаема!
