Что такое энергия

Кирпич лежит на крыше, его потенциальная энергия не изменяется

Если с крыши дома упадёт кирпич, то голову под него подставлять не стоит – будет очень больно. Почему? Потому что кирпич притягивается Землёй, и это притяжение заставляет кирпич преодолевать препятствия, которые встретятся ему в полёте. Падающий кирпич стремится преодолеть препятствие, разрушить его и продолжить падение. Сам кирпич при этом тоже может разрушиться, если препятствие окажется достаточно крепким. И ещё, при столкновении и сам кирпич, и препятствие нагреваются. Происходит взаимное действие кирпича на препятствие и препятствия на кирпич, которое сопровождается нагреванием. Физики взаимное действие одних тел на другие называют взаимодействием.

Получается, что, находясь на крыше, кирпич обладает способностью взаимодействовать с другими телами в случае падения. Эта способность зависит от массивности кирпича и от высоты, с которой он может упасть на препятствие. Пока кирпич лежит на крыше, он не бьёт по головам проходящих внизу людей, но способностью такой обладает, если его кто-то столкнёт с крыши. Говоря по-научному, кирпич не опасен, пока его положение в пространстве остаётся неизменным, и становится опасным, когда его положение в пространстве изменяется. Вот почему на стройках люди ходят в касках.

Кирпич падает, его потенциальная энергия уменьшается

Точно также, летящая пуля, попадая в мишень, стремится её пробить, но при этом и сама расплющивается, а мишень и пуля нагреваются. Происходит взаимодействие пули и мишени. Результат этого взаимодействия зависит от массы пули, но в ещё большей степени – от скорости пули, то есть от её движения. И снова, пока пуля летит свободно, она не действует на мишень, а только обладает такой способностью. Действие происходит только в том случае, если пуля встретит мишень на своём пути.

Если заряженный аккумулятор не подключен к мобильному телефону, то никакого действия не происходит, хотя заряженный аккумулятор обладает способностью действовать. Но действовать он будет только в составе мобильного телефона, если его включить.

Можно привести ещё много примеров того, как различные тела и устройства обладают способностью действовать, но могут этой способностью и не воспользоваться. Да и мы, люди, иногда бываем такими. Например, ученик после школы пошёл играть в футбол, а про уроки забыл. Он обладает способностью выучить уроки, но на самом деле может их и не выучить, если родители вовремя его не заставят.

Физики задумались, как же можно описать способность разных тел взаимодействовать, такую способность, которой тела могут воспользоваться, а могут и не воспользоваться. Причём описать на физическом языке – так, чтобы эту способность можно было измерять. После многочисленных научных исследований, которые проводились не одно столетие, специально для этой цели была введена физическая величина, которую назвали энергией.

В первом примере кирпич обладает энергией потому, что он имеет определённое местоположение. Он находится на некоторой высоте над поверхностью земли – на крыше. И уже само его местоположение даёт кирпичу способность взаимодействовать с препятствием в случае падения, когда высота кирпича начнёт уменьшаться. Такую энергию, связанную с взаимным расположением тел, назвали потенциальной энергией.

Во втором примере пуля обладает энергией потому, что она движется. Пока она движется с одной и той же скоростью, её энергия не изменяется. Энергию, связанную с движением тел назвали кинетической энергией.

В третьем примере аккумулятор обладает электрической энергией. Так что существуют различные виды энергии. Каждому физическому явлению соответствует своя энергия: механическая энергия, энергия электрического поля, энергия магнитного поля, световая энергия, тепловая энергия и так далее. Общее у всех видов энергии одно: все они численно описывают способность действовать даже в том случае, когда никакого действия не происходит.

Физики говорят, что энергия является функцией состояния физической системы. Энергия описывает состояние физической системы с точки зрения способности системы совершить какое-либо действие. Причём, этой способностью система может воспользоваться, а может не воспользоваться. Действие может произойти, а может и не произойти, но энергией система обладает. И величина энергии показывает, насколько интенсивным может быть взаимодействие системы с другими телами, если оно всё-таки произойдёт.

А теперь пора задать классический вопрос кота Матроскина: «И какая польза от этой энергии?».

Во-первых, энергия объединяет все физические явления. При скольжении хоккейной шайбы по льду возникает трение. Из-за этого и лёд, и шайба нагреваются. В конце концов, когда шайба останавливается, механическая энергия, которой обладала шайба сразу после броска, переходит в тепловую энергию. Когда электрический ток протекает по проводам, провода нагреваются. Здесь в тепловую энергию переходит энергия электрического тока. Когда вода крутит турбины гидроэлектростанции, часть механической энергии воды переходит в электрическую энергию. То есть при взаимодействии тел виды их энергий могут изменяться. Энергия является общей физической мерой всех видов движения и взаимодействия в природе.

Во-вторых, оказалось, что в природе действует универсальный закон сохранения энергии. При взаимодействии тел сумма всех их энергий всех видов не изменяется. Энергии тел могут в результате взаимодействия только изменять свой вид или передаваться от одного тела другому, но их сумма измениться не может. Этот закон позволяет физикам очень точно предсказывать, что произойдёт в результате взаимодействия тел.

В-третьих, результат действия одного тела на другое зависит от того, насколько изменяется энергия первого тела при взаимодействии. Рассчитав изменение энергии, можно предсказать действие одного тела на другое. Например, в примере о падении кирпича с крыши нетрудно определить изменение потенциальной энергии кирпича при встрече с препятствием. А зная это изменение, можно спроектировать каску так, чтобы при даже несчастном случае строительный рабочий сильно не пострадал.

Потенциальная энергия кирпича расходуется на разрушение и нагревание

Иллюстрации: © http://auditori-um.ru/ (ссылка обязательна)