Самое древнее из дошедших до нас сочинений. по механике называется "Механические проблемы". Его приписывают древнегреческому ученому Аристотелю, но скорее всего трактат создан в эллинистическом Египте в начале третьего века до нашей эры. В нем есть такая задача: "Почему, если к дереву приложить топор, обремененный тяжелым грузом, то дерево будет повреждено весьма незначительно; но если поднять топор без груза и ударить по дереву, то оно расколется? Между тем падающий груз в этом случае гораздо меньше давящего". Автор не мог ответить на поставленный вопрос. Теперь же такую задачу решит любой школьник - "потому что падающий топор обладает кинетической энергией".
Энергия - это способность совершать работу. Движущийся воздух вращает лопасти ветродвигателя, а поток воды - турбину гидрогенератора, вырабатывая электрический ток. Падающая баба парового молота вколачивает в грунт сваи, а штамп, перемещаясь, штампует детали. Все движущиеся тела наделены энергией. Но не только они.
Сжатый воздух, заключенный в баллоне, или вода, сдерживаемая плотиной, также обладают запасом энергии. Если открыть кран сосуда или шлюзы плотины, то вырвавшиеся на свободу воздух или вода могут сделать полезную работу. В этом случае говорят о потенциальной энергии (воздуха, воды). Заведенная пружина часов, натянутая тетива лука, закрученный резиновый шнур авиамодельного моторчика таят в себе потенциальную энергию. Если кинетическая энергия - это энергия движения, то потенциальная обусловлена положением тела или его деформацией.
Кинетическая и потенциальная энергии это две ипостаси механической энергии. Они легко переходят одна в другую. Вспомните прыгающий мячик. В верхней точке, когда он останавливается, его кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная максимальна. В нижней точке (у поверхности земли) кинетическая энергия максимальна, а потенциальная минимальна. При движении мячика все время происходит "перетекание" кинетической энергии в потенциальную и наоборот.
Помимо механической, существуют еще иные формы энергии: электромагнитная, химическая, ядерная и другие. Большая Советская Энциклопедия дает такое определение энергии: "общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи".
Энергия не исчезает и не возникает вновь, а только переходит из одной формы в другую. К идее ее постоянства пришли еще мыслители древности. В поэме "О природе вещей", написанной древнеримским поэтом-философом Титом Лукрецием Каром, жившим в первом веке до нашей эры, читаем:
"Ибо не может ничто из материи прочь отделиться,
Бывши в нее включено; напротив, не могут ворваться
Новые силы в нее, при посредстве которых возможно
Переиначить природу вещей и порядок движенья".
Закон сохранения энергии в изолированной системе - один из фундаментальнейших законов природы. Для механических явлений его установил Г. В. Лейбниц (1686), а для немеханических - Ю. Р. Майер (1845), ДЖ. П. Джоуль (1843-50) и Г. Л. Гельмгольц (1847).
Энергия, работа, количество тепла измеряются в одних и тех же единицах. В Международной системе (СИ) за единицу измерения энергии принят джоуль - работа силы в один ньютон на расстоянии одного метра. Единица названа так в честь английского ученого ДЖ. П. Джоуля (1818-1889). Один эрг - это работа силы в одну дину на расстоянии одного сантиметра, а калория это количество тепла, необходимое для нагревания грамма воды на один градус. Знакомый всем киловатт-час, применяемый в основном в электротехнике, равен работе, совершаемой за час прибором мощностью 1 кВт.
Иногда для выражения величины энергии используют такие единицы, как электрон-вольт или килограмм-сила-метр (неправильно называемую килограммометром). Электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов один вольт, а килограмм-сила-метр - это работа килограмм-силы на расстоянии одного метра. Все эти единицы связаны между собой соотношениями: 1 Дж=107 эрг =0,2388 кал=6,24Х1018 эВ=0,102 кгс*м.
На рисунке показан порядок энергий, достигаемых в природе и технике. Чтобы изобразить все многообразие явлений и процессов, встречающихся в окружающем нас мире, применена логарифмическая шкала - два соседних деления отличаются друг от друга по величине в тысячу раз (103). На вкладке отмечено, какую энергию выделяют при взрыве сверхновая звезда и атомная бомба, расходует муха в полете и человечество за год, несет квант света и космическая частица. На шкале указана также точка, соответствующая запасу энергии, который заключен в 1 кг любого вещества, будь то вода или песок. Он подсчитан по известной формуле А. Эйнштейна Е = mе2. На рисунке много других интересных данных, которые послужат вам для сопоставления и размышления.