Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно

Мы видим, что во время падения кинетическая энергия мяча изменилась от 0 до EKmax, в то время как его потенциальная энергия изменилась с EKmax до 0. Таким образом, общая энергия мяча (кинетическая + потенциальная) во время его движения осталась неизменной: его «потенциальная» энергия просто перешла в «кинетическую».

ВЕЛИЧИНА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

Представим электрон, расположенный рядом с протоном. Предположим, что речь идет о точечных частицах. Из-за электростатического притяжения у электрона появится кинетическая энергия, потому что он будет ускоряться в сторону протона. То есть он с самого начала обладает потенциальной энергией.

Но сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между электроном и протоном. По мере того как электрон будет приближаться к протону, сила будет нарастать, а в момент их контакта она уже будет стремиться к бесконечности. Это значит, что ускорение будет стремиться к бесконечности: электрон приобретет бесконечную кинетическую энергию. Иными словами, изначально электрон обладал бесконечной потенциальной энергией.

Вывод довольно досадный: если все частицы обладают бесконечной потенциальной энергией, понятие потенциальной энергии становится не вполне адекватным… Именно по этой причине физики предпочитают считать «началом» потенциальной энергии то место, какое сочтут нужным. Другими словами, они скажут, к примеру, что потенциальная энергия электрона, находящегося в 1 м от протона, условно равна 0.

То есть величина потенциальной энергии не имеет смысла, поскольку она принята условно. В свою очередь, изменение потенциальной энергии сохраняет весь свой смысл: если кинетическая энергия увеличивается, потенциальная на столько же уменьшается. То есть изменение потенциальной энергии противоположно по смыслу изменению кинетической.

В дальнейшем в квантовой механике мы увидим, что частицы не могут считаться точечными и находящимися в определенном месте, и это уже снимает часть проблемы. Однако физики все же продолжают определять начало потенциальной энергии там, где им хочется…

Поскольку цель этой книги оставаться как можно ближе к физическому смыслу, мы никогда не будем пользоваться подобной условностью. В данной книге если объект обладает потенциальной энергией E, то это потому, что он действительно может приобрести максимальную кинетическую энергию E.

Точно так же кинетическая энергия может превратиться в потенциальную. Так будет, если мы продолжим туннель на другую сторону Земли. Увлекаемый своим полетом мяч продолжит траекторию вдоль по туннелю. В этом случае его кинетическая энергия уменьшится, а потенциальная будет параллельно возрастать (мяч будет набирать высоту).

Из предыдущего примера мы можем сделать несколько выводов. Первый в том, что понятие потенциальной энергии связано с понятием силы. В самом деле, чтобы объект обладал потенциальной энергией, необходимо, чтобы он мог достичь энергии кинетической, то есть он должен быть способен приобрести ускорение. А где ускорение, там и сила, что приводит нас к выражению F→; = ma→;.

Таким образом, своим существованием потенциальная энергия в предыдущем примере обязана силе тяжести, ее называют потенциальной энергией силы тяжести.

С другой стороны, в предыдущем примере мы констатируем, что энергия мяча сохранилась во время его движения. Сохранение энергии – важная идея физики, но ее надо рассматривать с осторожностью. В этом мы убедимся в следующем параграфе.

Энергия сохраняется не всегда

Поскольку энергия содержит всю настоящую и будущую кинетическую энергию, нам хочется сказать, что энергия объекта всегда сохраняется: если объект приобретает кинетическую энергию, значит, часть его потенциальной энергии реализовалась в форме кинетической.

Проблема в том, что потенциальная энергия зависит от силы, действующей на объект, однако сила эта может измениться, если изменится окружающая среда. Энергия объекта сразу изменится тоже.

Приведем пример: возьмем отрицательно заряженный шар, который лежит на земле. Его кинетическая энергия равна нулю, а в отсутствие других заряженных объектов его потенциальная электростатическая энергия также равна нулю (шар не может приобрести скорость таким путем). Теперь поднесем к нему отрицательно заряженную линейку: наш шар внезапно обретает потенциальную энергию, потому что приобретет ускорение из-за отталкивания разных зарядов. Одним словом, шар приобрел энергию просто потому, что его окружение изменилось.

Таким образом, сохранение энергии объекта существует только тогда, когда окружающее его пространство остается неизменным. Так было с мячом, который бросили с крыши дома. Земля, которая его притягивала, оставалась неизменной.

Пример с двумя заряженными шарами

Чтобы все уточнить, разберем другой пример. Для этого возьмем два одинаково заряженных шара с одинаковой массой, которые толкнем навстречу друг другу. Шар слева будет темным, а шар справа светлым.

• Опыт 1 (➙ рис. 7.2.а): два шара, расположенные на большом расстоянии друг от друга, катятся навстречу друг другу с одинаковой скоростью. На них действует одинаковая сила (принцип взаимодействия), а значит, у них одинаковое ускорение (одинаковая масса). Из-за отталкивания одинаковых зарядов шары затормозят, одновременно остановятся и покатятся в противоположные стороны.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «