Що таке енергія?
Поняття енергії, безперечно, одне з основних фізичних понять. На відміну від тиску, густини, температури, маси, сили струму та інших величин, характерних для деяких розділів фізики, про енергію йдеться у всіх розділах фізики, та й не тільки фізики, а у всіх природничих науках. Із поняттям енергії ми зустрічаємося буквально на кожному кроці в повсякденному житті.
Основний фізичний закон, якому підкоряється енергія, твердить, що енергія не зникає безслідно і не виникає з нічого, вона існує вічно, набуває різних форм і переходить з одного виду в інший.
Незважаючи на таку всезагальність поняття енергії (а, можливо, саме завдяки цьому), фізичний зміст цього поняття не такий вже простий. Aмериканський фізик-теоретик Річард Фейнман
твердить, що «фізиці сьогоднішнього дня невідомо, що таке енергія. Ми не вважаємо, що енергія передається у вигляді маленьких таблеток. Нічого подібного. Просто є формули для розрахунку певних числових величин, додавши які, ми дістаємо завжди одне й те саме число. Це щось абстрактне, що нічого не го-ворить нам ні про механізми, ні про причини появи у формулі різних членів».
На жаль, енергію не можна побачити, понюхати, попробувати на смак чи пощупати. Більше того, не можна безпосередньо виявити її присутності. Можна визначити лише її зміну в якомусь певному процесі.
Довгим і тернистим був шлях людства до встановлення поняття енергії і закону про її збереження. Спробуємо на конкретних прикладах усвідомити, що таке енергія і робота, які бувають види енергії, як один вид енергії перетворюється в інший.
Щоб проілюструвати ці важливі фізичні поняття, скористаємося ситуаціями, показаними в цікавих і дотепних випусках мультфільму «Ну, постривай!». Пригадуєте, як вовк вирішив скористатися покинутим на дорозі котком, щоб наздогнати зухвалого зайця, який мчав на велосипеді по шосе. Вовк надумав викотити коток на гірку, щоб потім із комфортом проїхатися з гори.
Піднімаючись на гору, вовк трохи стомлюється. Що поробиш? Відомо, що Земля притягує з певною силою і коток і вовка. Викочуючи коток на гірку, вовк змушений виконати якусь роботу на подолання сили тяжіння, яка залежить від висоти гірки. Але вовк із задоволенням сопе, забираючись на вершину гори, чекаючи заслуженої винагороди за виконану роботу. Справді, вискочивши на коток, вовк мчить по шосе вниз. І відразу сила тяжіння, тобто та сама сила, яка щойно змушувала вовка попотіти, мчить його вниз по схилу гори.
Справедливість торжествує. Викочування котка на гору дало вовкові можливість нагромадити стільки потенціальної енергії, що її цілком вистачило для кількох хвилин приємного спуску з гори, під час якого він відпочиває. Чим вища гірка, тим більшу роботу треба виконати, щоб викотити коток на гору, і тим Оільшу потенціальну енергію має коток і вовк відносно підніжжя гори. Очевидно, значення потенціальної енергії залежить і від маси котка: чим він масивніший, тим більшу треба виконати роботу, щоб підняти коток на гору і тим більшу потенціальну енергію має коток на вершині гори відносно підніжжя. Там, де немає гори, вовк ухитряється нагромадити кінетичну енергію (сам про це не здогадуючись) інакше. Він спочатку розганяє коток до значної швидкості, а потім вистрибує на нього, продовжуючи рух вже без виконання роботи за рахунок нагромадженої кінетичної енергії.
З розглянутого тут можна зробити висновок, що робота є мірою зміни енергії, а енергія показує, яку роботу може виконати дане тіло чи система тіл. У нашому випадку робота залежить від висоти піднімання тіла.
У розглянутому прикладі ми не враховували, що, викочуючи коток на гору, вовк виконував роботу не тільки на подолання сили тяжіння, а й на подолання сили тертя. Спускаючись із гори, вовк дістав роботу дещо меншу, ніж виконав.
Зверніть увагу, що виконана вовком робота з викочування котка на вершину гори не залежить від того, по якому шляху він піднімався на гору: прямо в гору чи в обхід, по довгому й заплутаному шляху. У кожному випадку потенціальна енергія котка збільшується на одне й те саме значення. Треба мати на увазі, що потенціальну енергію має не тільки тіло, підняте над Землею, а й Земля, оскільки притягання цих тіл взаємне. Інакше кажучи, коли камінь падає під впливом притягання Землі, то і Земля з такою самою силою притягується до тіла і повинна рухатися йому назустріч. Рухом Землі, звичайно, можна знехтувати. Її маса така велика, що швидкість, якої вона набуває завдяки притяганню до падаючого тіла, практично дорівнює нулю. У зв'язку із цим ми часто говоримо про потенціальну енергію піднятого над Землею тіла, хоча точніше треба було б говорити про потенціальну енергію системи тіло — Земля.
Звичайно потенціальну енергію піднятого над поверхнею Землі тіла визначають роботою сили тяжіння під час опускання тіла на поверхню Землі. Отже, вважаємо, що потенціальна енергія тіла, коли воно лежить на поверхні Землі, дорівнює нулю, тобто положення тіла на поверх Землі приймаємо за нульове положення тіла. Але обирати так нульове положення тіла зовсім необов'язково.
Так само можна за нульове положення взяти будь-який горизонтальний рівень, як вище, так і нижче поверхні Землі. Наприклад, у змаганнях штангістів логічно за нульове положення штанги вважати її положення на помості, а не на поверхні Землі. Так, коли ви в кімнаті на 9-му поверсі будинку піднімаєте гантелі, виконуючи вправи ранкової гімнастики, то за нульове положення логічно обрати рівень підлоги кімнати 9-го поверху, а не поверхню Землі. Якщо ж розглядати¬мемо падіння м'яча з балкона 9-го поверху на подвір'я, то за нульовий рівень можна обрати як рівень підлоги балкона, так і поверхні Землі.
Цікаво звернути увагу на те, що потенціальна енергія тіла може мати як додатне, так і від'ємне значення залежно від того, яке положення системи обрано за нульове. Наприклад, якщо за нульове положення камінця ми оберемо положення в центрі Землі, то потенціальна енергія завжди буде додатна. Де б не був розміщений камінь чи будь-яке інше тіло, над Землею чи всередині Землі, сила тяжіння завжди виконає додатну роботу під час падіння тіла до центра Землі.
Якщо за початок відліку енергії обрати поверхню Землі, то опущений у шахту ліфт матиме від'ємну потенціальну енергію. Потенціальну енергію має вода, піднята в річці за допомогою греблі. Падаючи з вищого рівня на нижчий, вода виконує роботу, приводячи в рух вал гідротурбіни електростанції.
Отже, ми ознайомилися з одним видом енергії — потенціальною енергією піднятого над Землею тіла та її змінами, які супроводяться виконанням роботи.
