Страница 5 из 196
1.3. Ошибочность понятий потенциальной
и кинетической энергий
Формула потенциальной энергии записывается как произведение массы предмета m на ускорение свободного падения g = 9.81 м/сек; и высоту подъема предмета над основанием h (EР= mgh), в то время как кинетическая энергия — это половина произведения массы предмета на квадрат его скорости (EК=mv;/2). Потенциальная энергия играет роль своеобразного аккумулятора, в который можно слить любую энергию, а затем при необходимости получить ее обратно. Традиционно считается, что когда мы поднимаем некоторый груз, мы тратим свою энергию, производя работу над данным грузом, и выполняемая работа преобразуется в его потенциальную энергию. Чем больше высота подъема h, тем больше величина выполненной работы, тем больше потенциальная энергия. А когда поднятое тело начинает падать, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую и выделяется в момент удара падающего груза о препятствие. Кинетическая энергия считается связанной с движением и рассматривается как своеобразная энергетическая характеристика движения.
Но смотрите, какая неувязка получается при таком объяснении. Пусть у нас на столе лежит некий груз и мы отсчитываем высоту подъема h от уровня поверхности стола. В этом случае h = 0 и потенциальная энергия данного груза также равна нулю. Однако, мы можем отсчитывать высоту h от уровня пола и тогда потенциальная энергия будет другой. А если мы начнем отсчитывать высоту h от уровня земли в данной местности или от уровня моря, появятся новые значения потенциальной энергии. Вообще говоря, мы можем выбрать совершенно произвольный уровень отсчета высоты h и тогда значение потенциальной энергии также становится произвольным. Иначе говоря, потенциальная энергия теряет статус реальности.
Чтобы выпутаться из этой нелепой ситуации, академическая наука утверждает, будто потенциальная энергия действительно не обладает статусом реальности (то есть не имеет физического смысла), но реальностью обладает разность этих энергий Е1 — Е2. На первый взгляд такое объяснение кажется приемлемым, т. к. разность энергий Е1 — Е2 не зависит от уровня отсчета и потому одинакова для всех уровней. Но совершенно не ясно, откуда берется физический смысл у разности двух величин, если сами величины такого смысла не имеют. Ведь это аналогично ситуации, когда мы от одного безразмерного числа отнимаем другое безразмерное число, а в итоге получаем размерную величину.
С кинетической энергией наблюдается схожая ситуация. Кинетическая энергия зависит от скорости, а скорость будет различной в зависимости от положения наблюдателя (то есть различной в разных системах отсчета). Пусть мы имеем некоторую систему координат, в которой находится неподвижный предмет. Так как его скорость в этой системе равна нулю, тогда и кинетическая энергия равна нулю. Перейдем к другой системе координат, движущейся относительно первой. В новой системе предмет уже имеет некоторую скорость, значит обладает кинетической энергией. Но ведь работа над ним не совершалась. Так откуда появилась энергия у предмета, если работа над ним не совершалась? Или пример с поездом, птицей и пассажиром. Для неподвижно стоящего наблюдателя скорость летящей птицы одна, а для едущего в поезде пассажира она будет иной. Для пассажира поезда птица может даже казаться летящей в обратном направлении, если скорость поезда достаточно велика и птица отстает. Таким образом, кинетическая энергия подобно потенциальной теряет статус реальности и оказывается полностью зависящей от произвольного положения наблюдателя.
Рассмотрим пример с потенциальной и кинетической энергиями, в котором наблюдаются явные несуразности: свободное течение воды сверху вниз в вертикально поставленной трубе постоянного проходного сечения. Согласно академической точке зрения, потенциальная энергия некоторого выделенного элементарного объема воды при падении с уровня h1 до уровня h2 уменьшается на величину mg(h1 – h2) или mg;h и трансформируется в кинетическую энергию mv;/2, что должно проявляться в форме увеличения скорости воды. Но вследствие того, что проходное сечение трубы неизменно, скорость воды в ней также одинакова на всех уровнях. Следовательно, кинетическая энергия не меняется. Тогда куда уходит потенциальная энергия?
Иногда можно услышать от оппонентов, что потенциальная энергия тратится на преодоление гидравлического сопротивления трубы, то есть на преодоление трения.
Даже если полагать, что такой ответ правилен (а в реальности он ошибочен, т. к. в данном случае трение преодолевается без затрат энергии и ниже это будет показано), все равно не ясно, куда уходит потенциальная энергия. Если мы предположим, что она преобразуется в тепло, это очень легко проверить экспериментально. Например, при падении воды с высоты 100 метров и пребразовании потенциальной энергии в тепло температура воды будет повышаться на 0.24 градуса, что легко фиксируется приборами. Если кому-то интересно провести подобные опыты, пусть выполнит их и убедится, что температура воды не изменится.
С другой стороны, теплота трения должна зависеть от коэффициента трения: чем больше трение, тем больше выделится тепла. Однако, коэффициент трения не зависит от высоты падения, он определяется только нашими субъективными усилиями в ходе изготовления трубы. Мы можем использовать в своих экспериментах трубу с очень грубо обработанной внутренней поверхностью, то есть высоким трением. Или можем использовать трубу с исключительно гладкой внутренней поверхностью. В этом случае количество выделяемого тепла должно зависеть от степени обработки внутренней поверхности и меняться для разных труб. Но если высота падения для всех труб неизменна, тогда потенциальная энергия снижается также на одну и ту же величину и оказывается одинаковой для всех труб. Как тогда быть?
Наконец, такое объяснение перехода потенциальной энергии в тепло противоречит самым основным положениям и формулам физики. Для выделения тепла в воде над ней необходимо произвести работу. Вспомним, как записывается формула выполняемой работы: A = FL. Расписывая силу через второй закон механики, получаем A = maL. Откуда мы видим, что работа выполняется лишь в том случае, если ускорение а не равно нулю. А в нашем случае оно в точности равно нулю, т. к. скорость течения в трубе постоянного сечения не меняется. И если утверждать, что потенциальная энергия текущей в трубе воды должна переходить в тепло, тогда это вступает в противоречие либо с формулой выполняемой работы, либо с формулировкой второго закона механики.
Невозможно найти ключ к разгадке этих парадоксов, если исходить исключительно из старых представлений и концепций. Но настоящие феномены легко объясняются с помощью замены потенциальной энергии на энергию гравитационного поля, а кинетической энергии — на энергию физического вакуума. И затем, как развитие данной концепции, появятся объяснения для многих других феноменов и парадоксов.
Начнем с самого начала: с энергетического анализа прямолинейного равномерного движения. Пусть на столе лежит неподвижно некоторый предмет. Его кинетическая энергия равна нулю (относительно стола, конечно). Начнем толкать предмет ладонью в горизонтальном направлении. Теперь его скорость и кинетическая энергия не равны нулю. Вопрос: откуда появилась энергия у предмета? Наверное, всякий ответит, что она появилась за счет нашей мускульной энергии. На строгом языке физики это будет звучать так: энергия движущегося предмета растет за счет энергии того объекта, который заставляет данный предмет двигаться. В рассмотренном примере — наша рука. А может ли быть такая ситуация, когда мы двигаем предмет, но его кинетическая энергия росла бы не за счет нашей мускульной энергии, а за счет собственной энергии химических связей? Ясно, что нет. Здравый смысл подсказывает, что установленное только что правило должно быть универсальным и не иметь никаких исключений (в точных науках вообще исключения из правил отсутствуют, на то они и называются точными).