Main menu:

Энергия

Одна из не дошедших до нас книг Архимеда «О рычагах», по-видимому, содержала обобщенное изложение его теории простых механизмов: рычагов, различных комбинаций блоков, винтов, ворота и т. п. Каждая из сохранившихся книг Архимеда развивает логические следствия одной-единственной идеи. На какой идее построил Архимед свою теорию простых механизмов? Вполне возможно, что это был один из самых ранних вариантов закона, который ныне именуется законом сохранения энергии.

Рассмотрим этот закон на примере рычага. Рычаг представляет собой те же неравноплечные весы, но работающие в «активном», а не «пассивном» режиме. Предположим, что груз массой 10 кг уравновешен грузом в 100 кг посредством невесомого стержня, опирающегося на заостренную опору. Если добавить к первому грузу песчинку, он начнет медленно опускаться, заставляя более тяжелый груз подниматься.

Поднимая груз, мы совершаем работу (в обыденном смысле этого слова). Более строго, работа определяется как произведение приложенной силы на перемещение, произошедшее под действием этой силы. В простом механизме мы имели дело с ситуацией, когда два груза первоначально покоятся, а затем начинают очень медленно перемещаться под влиянием крохотной песчинки, добавленной к одному из грузов. В простых механизмах, близких к состоянию равновесия, работа, совершаемая одним из грузов, равна работе, совершенной над другим грузом.

В свое время Симон Стевин (1548-1620), современник Галилея и соотечественик Гюйгенса, высказал удивительно смелую и пророческую мысль о том, что невозможно построить машину, самопроизвольно создающую и неограниченно поддерживающую движение без какого-либо воздействия извне.

Закон сохранения энергии, выведенный Галилеем для снарядов и тел, падающих вблизи поверхности Земли, представляет собой предельный случай закона, описывающего движение тел, расстояние которых от центра Земли изменяется произвольным образом.

Каков смысл закона сохранения энергии? Мы видели, что этот закон является следствием второго закона Ньютона и его закона всемирного тяготения. Однако закон сохранения энергии остается в силе и в более общем, случае, чем описывает механика Ньютона. Например, он справедлив и тогда, когда механическая энергия переходит в тепло или электромагнитное излучение. Энергия также сохраняется в изолированных системах, подчиняющихся законам квантовой механики или частной и общей теории относительности Эйнштейна. Очевидно, что первооснова закона сохранения энергии заключена в принципах, общих для всех этих теорий.

Природу этих принципов открывает нам закон сохранения кинетической энергии при упругих соударениях тел, доказанный Гюйгенсом. В своем мысленном эксперименте Гюйгенс не указывал никакого конкретного закона взаимодействия между сталкивающимися телами, подразумевая тем не менее, что в этом законе не делается различия между двумя направлениями хода времени. Это специальное условие выражает то, что впоследствии получило название принципов симметрии (или инвариантности). Самый глубокий ответ, который физик может дать на вопрос: «Почему сохраняется энергия?» будет звучать так: «Потому что законы, которым подчиняются элементарные процессы, не зависят ни от того, когда произошло взаимодействие, ни от направления течения времени».