Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Рис. 91. Наскальный рисунок повозки II тыс. до н. э., обнаруженный в Ливии

Сила, с которой окружающая среда сопротивляется движению, зависит от нескольких причин. Во-первых, она связана с характером этой среды: мы уже говорили о том, что двигать шкаф по мраморному полу гораздо легче, чем по ковру с длинным ворсом. Во-вторых, она зависит от виды трения. Трение, которое возникает при движении колеса, называют трением качения (рис. 91). Оно гораздо меньше, чем трение скольжения, обнаруживающее себя в том случае, когда движущийся предмет прижимается к дороге всей своей нижней плоскостью, ведь колесо соприкасается с плоскостью, по которой оно катится только в одной точке.

В-третьих, сила, с которой окружающая среда сопротивляется движению, зависит от принимающей силы или веса тела. Чем больше вес тела, тем больше сила трения. Сила сопротивления среды, окружающей движущееся тело, связана также со скоростью его движения. Чем она больше, тем больше и препятствие, которое встречает движущийся предмет. Посмотрим, как будет двигаться предмет, упавший с большой высоты. Вначале его движение будет подчинено закону свободного падения. Но так как падение на самом деле не является свободным, а происходит в воздухе, предмет тут же встретит сопротивление этого воздуха, которое будет пропорционально скорости его падения. По мере того как скорость падающего предмета увеличивается, растёт и сила сопротивления, и в какой-то момент она сравняется с силой тяготения. После этого, поскольку равнодействующая обеих сил станет равной нулю, тело будет падать по инерции с постоянной скоростью. Величина этой скорости зависит, в частности, от формы падающего предмета. При возрастании его поверхности она будет увеличиваться, на чём основано использование парашюта. Чем больше сопротивление воздуха, тем раньше установится постоянная скорость его падения и тем мягче будет посадка. Разумеется, такое описание процесса падения является в значительной степени идеализированным, поскольку оно не учитывает ветра и поднимающихся от земли встречных потоков воздуха, которые используют парашютисты и дельтапланеристы.

Однако такая идеализация ничтожно мала по сравнению с той, которую сделали Галилей и его последователи, создавшие теоретическую механику. Они представили себе такое движение, при котором трение, как и любое сопротивление среды, вообще отсутствует. Такого, как мы знаем, никогда не бывает; конструкторы и инженеры, разрабатывающие любые механизмы и машины, должны учитывать все проблемы, возникающие из-за сопротивления среды. Но если бы основатели физики не смогли бы в своё время отвлечься от существования такого сопротивления, мы не имели бы тех законов физики, на основании которых стало возможным конструировать все эти механизмы и машины. В этом и заключается величайший парадокс естествознания.

Проверьте свои знания

1. Почему движущееся по горизонтальной поверхности тело рано или поздно останавливается? От чего зависит продолжительность движения этого тела?

2. В какой вид энергии переходит кинетическая энергия движущегося тела при наличии трения?

3. Почему при падении тела в воздушной среде его скорость со временем станет равномерной?

4. В чём заключается абстрагирование, к которому прибегли основатели механики?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Установите наклонную плоскость, которую можно покрывать различными материалами: деревом, стеклом, металлом, тканью и т. п. Положите на неё предмет определённой массы. Изменяя наклон плоскости, проследите, как будут двигаться предметы в зависимости от типа покрытия. Пронаблюдайте за характером движения в зависимости от массы положенного предмета. Объясните результаты наблюдений.

3. На горизонтальном столе лежит доска, а на ней кубик. К доске прикладывают силу, в результате чего она начинает двигаться по столу. Кубик при этом остаётся неподвижным относительно доски. Действует ли при этом на кубик сила трения и если действует, то в какую сторону она направлена?

4. Используя знания, приобретённые в курсе биологии, объясните, почему у большинства хищных морских рыб обтекаемая, торпедообразная форма тела. Какие особенности внешнего строения птиц связаны с их основным типом движения?

§ 36 Законы сохранения в природе

Но все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому.

М. Ломоносов. Из письма к Л. Эйлеру. 1748

Итак, мы с помощью примеров убедились в том, что энергия при некоторых процессах переходит из потенциальной в кинетическую или наоборот. Может быть так, что кинетическая энергия одного тела превращается в кинетическую энергию других тел. Во всех случаях суммарная энергия остаётся постоянной.

Попытки опровергнуть закон сохранения энергии.

Что касается экспериментов, призванных опровергнуть этот закон, то их было предостаточно. На протяжении долгого времени предпринимались попытки изобрести «вечный двигатель» (лат. perpetuum mobile), т. е. устройство, способно совершить полезную работу, большую, чем количество сообщённой ему энергии. Всевозможным комиссиям и академиям наук предлагались самые разнообразные проекты и чертежи «вечных двигателей» от самых наивных до чрезвычайно остроумных, таких, с которыми экспертам приходилось долго разбираться (рис. 92, 93). Однако в конце концов все проекты таких двигателей оказывались несостоятельными, и постепенно все академии и патентные комиссии мира отказались от их рассмотрения. Машину, способную бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов, называют вечным двигателем первого рода. Существовали ещё и проекты вечного двигателя второго рода, которые тоже оказались неосуществимыми. О них вы узнаете позднее.

Виды энергии.

Рассмотрим, в каких формах может существовать энергия. Мы уже знаем о кинетической и потенциальной энергии в гравитационном поле. Мы говорили о том, что если изучать только движение различных тел в поле тяготения, то сумма этих двух энергий никогда не будет оставаться в точности постоянной, так как из-за наличия трения часть этой энергии перейдёт в тепло. Но тепло, в свою очередь, представляет собой кинетическую энергию движущихся молекул и потенциальную энергию их взаимодействия.

Рис. 92. Модель вечного двигателя, основанная на идее использования колеса с неуравновешенными грузами

Существует ещё потенциальная энергия упруго деформированного тела. Если растянуть пружину, она приобретёт потенциальную энергию, которая позволит ей, например, поднять груз. Если пружину растянуть, то расстояние между атомами увеличится и силы притяжения начнут преобладать над силами отталкивания. Если же её сжать, то она приобретёт потенциальную энергию. Если подвесить к пружине груз, он будет опускаться под действием силы тяжести и растягивать пружину, увеличивая её потенциальную энергию. Затем пружина начнёт поднимать груз, расходуя потенциальную энергию. Эти процессы будут повторяться, и возникнут колебания, которые могли бы продолжаться вечно, если бы при каждом колебании часть энергии не превращалась бы во внутреннюю энергию пружины. А поскольку такое превращение неизбежно, колебания пружины с подвешенным на ней грузом рано или поздно прекратятся.

Рис. 93. Модель вечного двигателя, основанная на идее использования архимедова винта

Одной из самых используемых человечеством видов энергии является химическая энергия. Она работает в тепловых электростанциях, котельных и газовых плитах. Эта энергия, содержащаяся в нефти и природном газе, является основным предметом российского экспорта. Химическая энергия высвобождается в химических реакциях. У русского поэта-декабриста А. И. Одоевского есть знаменитая строка: «Из искры возгорится пламя». Откуда берётся энергия пламени, например лесного пожара, абсолютно несопоставимая с энергией искры? Естественно, она возникает из других источников. Искра содержит в себе небольшое количество очень быстро движущихся, т. е. обладающих большой кинетической энергией, частиц. Попадая в подходящую (горючую) среду, эти частицы своим движением разрывают связи между её атомами. В результате разрыва этих связей потенциальная энергия притяжения, которая раньше удерживала атомы и которую мы можем назвать энергией химических связей, переходит в кинетическую энергию их движения. Они, в свою очередь, освобождают химическую энергию в соседних участках, и процесс приобретает лавинообразный характер, приводя в конечном счёте либо к движению автомобиля, либо к масштабному бедствию в виде пожара. Химическая энергия, таким образом, складывается из двух частей: кинетической энергии движения частиц внутри молекул и атомов и потенциальной энергии притяжения электронов к протонам.