Путаница и разъяснение понятий

Путаница и разъяснение понятий

Окно, у которого я пишу, выходит во двор большого интерната. Мальчишки часто дуются в футбол, а притихшие болельщики-девочки порою вдруг взрываются бурным шквалом голосов, что позволяет мне и не глядя подсчитывать число забитых голов. Когда восторг уж слишком ярок, я выглядываю в окно. Кроме смущенно торжествующих ребят и дико скачущих девчонок, я вижу мелюзгу, копошащуюся у невесть зачем вырытой у футбольных ворот прямоугольной ямы с водой (правда, глубиной воробью по колено). На душе становится легко, и строчки словно бы охотнее ложатся на бумагу.

Однажды мое внимание привлекла совсем другая картина. Футбола и ребят на поле не было (вероятно, шли занятия), а из окна второго интернатского этажа женщина в белом выбрасывала узлы с бельем. Рядом с растущей горкой белья стоял голубой «пикап», видимо из прачечной. Вдруг — я даже обомлел — вслед за последним узлом из окна на горку выпрыгнула и сама женщина. Было очень смешно. Потом я подумал: «Физики, поди, не знает, а ведь сообразила, как сэкономить свою работу. Понимает, что одно дело — пойти по коридору, спуститься вниз по лестнице, открыть наружную дверь и т. д. и совсем другое — подобрать юбки и так вот запросто выпрыгнуть в окошко. Благо, думает, никто не наблюдает».

Сама того не подозревая, кастелянша (вероятно, это была она) наглядно продемонстрировала важнейшую физическую величину: работу. Физика говорит:

Работа равна силе, действующей вдоль перемещения, умноженной на это перемещение.

А здесь как раз и то и другое: сила (вес кастелянши) и перемещение (высота подоконника второго этажа над землей). Могут обратить внимание на то, что работу совершила не сама кастелянша, а земное тяготение. Совершенно верно. Но мы в данном случае говорим лишь об определении этой физической величины, и нас не интересует ее источник.

Запомнить краткое и ясное определение работы чрезвычайно важно, потому что в повседневной жизни люди часто под этим словом понимают что-нибудь иное. Футболисты удивляются, когда им говорят, что их игра — тоже настоящая работа (а это так и есть). Зато иной раз школьник задает учителю вопрос: «Почему гирю тяжелее поднять, чем проволочить на то же расстояние по земле? Ведь работа одна и та же: вес гири, помноженный на ее перемещение». И учитель терпеливо разъясняет, что при качении или протяжке по земле работы совершается немного, только та, что нужна, чтобы преодолеть сопротивление трения. А гиревик, как известно, работает против силы тяготения, перемещает гирю от земли.

Работа — это произведение не всякой вообще силы на перемещение, а только той, что действует вдоль перемещения.

Поэтому центростремительная сила, например, не производит работы. Она перпендикулярна перемещению (всех точек шкива), а в этом случае работа силы равна нулю.

Разноголосица в употреблении слова «работа» создается в большой степени тем, что мы охотно применяем это слово в областях, иногда далеких от физики. Там же оно звучит порой не похоже на то, что подразумевается в физике.

Кто из школьников, сомневающихся в том, что игра в мяч — работа, в то же время не соглашается охотно, что работа — это не только пилить и колоть, но и заниматься, сидеть спокойно в классе, внимательно слушать преподавателя. (Правда, почему-то это часто понимается односторонне: у взрослых молчаливая деятельность ума не всегда признается за работу.)

Единица измерения работы в новой системе мер (СИ) — ньютон силы на метр пути, или джоуль (дж). Когда хотят воспользоваться более мелкими единицами, принимают эрг — одну десятимиллионную часть джоуля. Джоуль, таким образом, равен 10 000 000 эргов. А тот, кто хочет представить себе наглядно эрг, может воспользоваться следующими сравнениями. Эрг немногим больше той работы, которую совершает человек, чтобы раз моргнуть. Комару, чтобы перелететь с мочки уха на его верхушку тоже надо совершить примерно эрг работы.

Мы начали эту часть с определения работы. Так же пойдем и дальше. Разберем еще понятия «мощность» и «энергия». Их часто путают одну с другой. Их путают даже со словом «сила». Поэтому, прежде чем говорить об этих величинах, надо внести ясность в их определение.

Что же такое мощность?

Спросите разных людей, чем, по их мнению, будет отличаться наиболее мощный автомобиль от остальных, и вы получите разные ответы. Одни скажут: самый мощный автомобиль — это тот, который тащит больше остальных; другие возразят: нет, самый мощный автомобиль тот, который развивает наибольшую скорость; третьи за мерило мощности почитают крутизну подъема, преодолеваемого автомобилем. А в действительности часто получается так, что 30-сильный трактор тянет больше 100-сильного автомобиля, а маломощный автомобиль берет на большой скорости подъем, который не под силу более мощному автомобилю.

При определении работы пользуются лишь двумя величинами: протяженностью пути и силой. Человек, напиливший кубометр дров за два часа, сделает такую же работу, как и тот, кто напилит свой кубометр с перекурами за восемь часов.

При определении мощности вводится и время: мощностью называется работа, выполненная за избранную единицу времени — за час, минуту, секунду или за какую-нибудь другую. Иначе говоря:

Мощность — это быстрота совершения работы.

Со времени усовершенствования паровой машины шотландским механиком Джемсом Уаттом (1736–1819) и вплоть до наших дней, пожалуй, самая распространенная единица мощности — это лошадиная сила (л. с.). Выраженная в килограмм-силах на метр (кГм) в секунду, одна лошадиная сила равна 75 кГм/сек.

На знакомых примерах эта единица мощности означает вот что.

Хороший спортсмен-атлет на короткое время может развить мощность в 1 л. с. Но при длительной работе от нормального здорового мужчины не следует ожидать отдачи большей мощности, чем ¹/₆—¹/₄ л. с., в среднем одной пятой лошадиной силы.

Мощность двигателя в домашнем холодильнике не превышает ¹/₄ л. с., автомобильный двигатель развивает мощность от 30 до 300 л. с. (у автомобиля «Волга» — 75 л. с.); мощность локомотива от 1000 до 4000 л. с., Красноярской ГЭС — около 7 миллионов л. с.

Космический корабль «Восток», на котором ранним утром 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин впервые вышел на орбиту земного спутника, был оторван от Земли с помощью ракетных двигателей мощностью 20 миллионов л. с.

В системе СИ единицей мощности утверждена также известная старая единица — ватт (вт): 1 вт = 1 дж/сек.

Часто пользуются единицей мощности, в тысячу раз большей, — киловаттом (квт).

Мощность патефонного моторчика в этих единицах составляет 10 вт, а мощность Красноярской ГЭС — 5 миллионов квт.

Рекомендуется запомнить (с этим часто приходится сталкиваться на практике), что 1 л. с. = 0,735 квт, а 1 квт = 1,36 л. с.

Мощность человека в этих единицах в среднем 0,15 квт.

Нам остается дать определение последней из величин, о которой идет речь, — энергии.

Мы знаем, что падающая вода способна совершать работу. Чтобы эта способность проявилась, на пути потока можно поставить мельничное колесо или водяную турбину.

Такой способностью обладает всякое вообще движущееся тело.

Можно привести примеры того, что и неподвижное тело обладает скрытой способностью производить работу: вода, сдерживаемая плотиной, согнутый лук, из которого можно выпустить стрелу, сжатая или растянутая пружина.

Итак, энергией называется мера способности совершать работу.

Часто энергией тела называют не меру его способности совершать работу, а самую такую способность. Это нецелесообразно. Ведь под энергией в физике понимают некоторую физическую величину. А всякая физическая величина — это не свойство, а числовая характеристика, мера свойства. Бывает иногда и так, что одним и тем же словом «энергия» пользуются для обозначения как способности совершать работу, так и меры этой способности. Мы тоже в дальнейшем этого не избежим, будем только стараться, чтобы каждый раз было ясно, в каком именно смысле употребляется слово «энергия».

Примеры, которые мы приводили, относятся к одному виду энергии — механической, причем мера способности движущихся тел производить работу называется кинетической энергией, а мера аналогичной способности неподвижных тел — потенциальной энергией.

Глава физики, посвященная энергии, выросла из классической механики. Однако она была значительно обогащена наукой об электричестве, развившейся в основном лишь за последние полтораста лет, а также термодинамикой — наукой, созданной целиком учеными XIX века.

Единицы измерения энергии те же, что и у работы, — эрги, джоули. Часто применяют еще одну удобную единицу — киловатт-час (квт-ч). 1 киловатт-час — это работа, произведенная в течение одного часа при мощности в 1 киловатт.

Есть и еще одна — тепловая — единица энергии: калория (кал) или килокалория (ккал). Калория — это количество тепла, необходимое для повышения на 1 градус Цельсия 1 грамма воды, килокалория — количество тепла, нужное для повышения на 1 градус 1 литра, то есть 1 килограмма воды.

Все эти единицы связаны между собой, так что:

1 квт-ч = 3,6 млн. дж = 861 ккал.

Механика учит нас пользоваться силами. Но чтобы можно было пользоваться силой, необходима энергия. Знание законов энергии нужно для практического применения механики.

И еще одно. Очень важно уметь открывать или создавать искусственно склады энергии. Джоули не висят на ветках подобно грушам или гроздьям винограда — подойди и срывай.

Впрочем, даже фрукты, которые можно есть, сперва нужно вырастить. В определенном смысле нужно уметь «вырастить» из окружающей природы и джоули.

Это не всегда легко, потому что природа не любит ничего отдавать по доброй воле.